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        采煤機(jī)搖臂銷軸間隙對(duì)采高檢測(cè)的影響分析

        2020-08-03 06:12:40
        礦山機(jī)械 2020年7期
        關(guān)鍵詞:軸孔銷軸搖臂

        天地科技股份有限公司上海分公司 上海 200030

        開(kāi)采高度的實(shí)時(shí)高精度檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。目前,采煤機(jī)采高檢測(cè)主要是通過(guò)傳感器測(cè)量搖臂傾角或調(diào)高液壓缸的位移量換算來(lái)實(shí)現(xiàn)[1-4],也可采用這 2 種方法相結(jié)合的方式。在實(shí)際應(yīng)用中,傳感器本身能夠滿足采高檢測(cè)精度要求,但搖臂與采煤機(jī)機(jī)身連接銷軸卻經(jīng)常因磨損后維護(hù)不及時(shí)而存在間隙,測(cè)算采高與實(shí)際采高有一定的偏差,采煤機(jī)自動(dòng)割煤時(shí)易發(fā)生割頂板、留底煤、液壓缸頻繁往復(fù)動(dòng)作等問(wèn)題,制約了自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和推廣。筆者針對(duì)搖臂銷軸間隙對(duì)采高檢測(cè)的影響展開(kāi)分析和探討,為自動(dòng)化工作面采煤機(jī)采高控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和改進(jìn)思路。

        1 銷軸間隙產(chǎn)生原因

        為了調(diào)節(jié)割煤高度,采煤機(jī)搖臂與機(jī)身采用鉸接形式連接,其中鉸接軸主要采用圓柱銷或錐銷形式,如圖 1 所示。

        圖1 采煤機(jī)銷軸類型Fig.1 Type of shearer pin

        圓柱銷通常設(shè)計(jì)為 3 段臺(tái)階式,中間軸段與搖臂軸孔鉸接,兩端軸段與采煤機(jī)機(jī)身軸孔固定。使用一段時(shí)間后,銷軸、軸孔的磨損與變形導(dǎo)致接觸面產(chǎn)生間隙,由于井下檢測(cè)困難,且在短期內(nèi)不會(huì)造成采煤機(jī)故障,往往難以引起重視,間隙長(zhǎng)期存在并不斷增大,得不到及時(shí)更換;錐銷可通過(guò)調(diào)節(jié)錐套的軸向位置來(lái)補(bǔ)償磨損產(chǎn)生的徑向間隙,使用前期間隙主要來(lái)自于錐銷平直段與搖臂軸孔的磨損[5-6],使用一段時(shí)間以后,錐銷與錐套間的緊固螺釘往往會(huì)發(fā)生松動(dòng),若得不到及時(shí)緊固,會(huì)引起錐套沿軸向移位,銷軸失去徑向定位后即產(chǎn)生晃動(dòng)。因此,無(wú)論采用哪種形式的銷軸,其間隙普遍存在,且難以消除,對(duì)采高檢測(cè)的影響也無(wú)法避免。

        2 銷軸間隙對(duì)采高的影響模型

        當(dāng)銷軸產(chǎn)生間隙時(shí),可設(shè)銷軸初始中心為D0,最大偏移量為r,銷軸的實(shí)際位置落入圓心為D0,半徑為r的圓內(nèi),由此建立銷軸中心的分布模型,如圖2 所示,銷軸中心D的坐標(biāo)可表示為

        圖2 銷軸誤差模型Fig.2 Model of pin error

        圖3 所示為采煤機(jī)調(diào)高模型。取A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),則采煤機(jī)滾筒中心坐標(biāo)可表示為

        其中

        式中:LCD為搖臂長(zhǎng)度;θ為搖臂與x軸夾角,-π/2≤θ≤π/2。

        圖3 采煤機(jī)調(diào)高模型Fig.3 Shearer height adjusting model

        根據(jù)三角形余弦公式可知

        將式 (9)代入式 (3)和式 (4),即可得滾筒中心C的坐標(biāo)點(diǎn),其分布范圍與銷軸最大偏移量r、偏移角度α及搖臂支腿長(zhǎng)度LBD有關(guān)。在設(shè)計(jì)采煤機(jī)時(shí),可通過(guò)調(diào)整采煤機(jī)相關(guān)的結(jié)構(gòu)參數(shù),減小銷軸間隙對(duì)滾筒位置變化的影響范圍。

        3 采高檢測(cè)數(shù)據(jù)分析利用

        為了更直觀地說(shuō)明銷軸間隙對(duì)采高檢測(cè)的影響,以最大設(shè)計(jì)采高為 5 m 的 MG750/1920-WD 型采煤機(jī)設(shè)計(jì)方案為例進(jìn)行說(shuō)明。該機(jī)型最大采高狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的液壓缸長(zhǎng)度LAB=2 400 mm,搖臂長(zhǎng)度LCD=2 937 mm,搖臂支腿長(zhǎng)度LBD=745 mm,∠CDB=89°。

        3.1 滾筒中心分布范圍

        通過(guò)編制計(jì)算機(jī)程序,當(dāng)r=2 mm,α在 (0,2π)范圍內(nèi)連續(xù)變化,得到點(diǎn)C(xC,yC)變化范圍,如圖4 所示。

        圖4 滾筒中心分布范圍Fig.4 Distribution range of drum center

        從圖 4 可以看出,點(diǎn)C坐標(biāo)變化邊界近似為橢圓,即滾筒中心將隨機(jī)出現(xiàn)在橢圓范圍內(nèi)的任何位置。其中,x軸方向最小值為 4 113.4 mm,最大值為4 130.6 mm,最大誤差為 17.2 mm;y軸方向最小值為3 112.8 mm,最大值為 3 128.3 mm,最大誤差為 15.5 mm。

        以上數(shù)據(jù)表明:銷軸間隙為 2 mm 時(shí),采煤機(jī)搖臂在未執(zhí)行調(diào)高操作情況下,實(shí)際采高變化量為 17.2 mm,因此,采煤機(jī)在“示范刀”學(xué)習(xí)及自動(dòng)化割煤過(guò)程中,滾筒與煤層頂、底板及其他工作面配套設(shè)備間需留有足夠的安全間隙,防止出現(xiàn)設(shè)備間干涉引發(fā)安全事故。

        3.2 銷軸間隙對(duì)采高誤差范圍的影響

        當(dāng)全新的采煤機(jī)投入使用時(shí),可以認(rèn)為銷軸間隙接近 0,隨著不斷割煤,銷軸間隙也不斷增大,滾筒中心點(diǎn)C(xC,yC)分布范圍也不斷增大,經(jīng)過(guò)計(jì)算,其變化趨勢(shì)接近于直線,如圖 5 所示。通過(guò)添加C點(diǎn)坐標(biāo)變化趨勢(shì)線可知:銷軸間隙每增加 1.0 mm,x軸方向誤差平均增大約 8.6 mm,y軸方向誤差平均增大約 7.8 mm。

        圖5 液壓缸上置采高計(jì)算模型Fig.5 Calculation model of cutting height while cylinder being above

        自動(dòng)化工作面通常要求采煤機(jī)記憶截割典型采高重復(fù)誤差不大于 25 mm,對(duì)應(yīng)圖 5 中的銷軸間隙約為3 mm,即當(dāng)銷軸間隙大于 3 mm 時(shí),必須對(duì)鉸接軸進(jìn)行檢修和維護(hù)。

        3.3 銷軸間隙測(cè)算

        在搖臂銷軸存在間隙的情況下,即使采煤機(jī)液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)未進(jìn)行調(diào)高操作,采高傳感器的檢測(cè)值也會(huì)隨著搖臂擺動(dòng)而發(fā)生變化,產(chǎn)生錯(cuò)誤的采高信息,導(dǎo)致控制系統(tǒng)發(fā)出錯(cuò)誤的調(diào)高指令,液壓缸和閥組頻繁往復(fù)動(dòng)作,引發(fā)液壓系統(tǒng)故障。因此,采煤機(jī)調(diào)高控制系統(tǒng)應(yīng)具有未調(diào)高周期內(nèi)采高數(shù)據(jù)的濾波計(jì)算。

        圖6 所示為采煤機(jī)搖臂在未調(diào)高周期內(nèi)擺角θ檢測(cè)值隨銷軸不同間隙變化的曲線,從中可以看出,θ波動(dòng)范圍與銷軸間隙正相關(guān)。根據(jù)一段時(shí)間內(nèi)采煤機(jī)θ檢測(cè)值的波動(dòng)數(shù)據(jù),即可估算出銷軸間隙的大小,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)調(diào)高誤差補(bǔ)償計(jì)算和銷軸維修提醒功能。

        圖6 θ 檢測(cè)值變化曲線Fig.6 Variation curve of θ measured value

        4 結(jié)論

        (1)采煤機(jī)采高的精確實(shí)時(shí)檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)自主調(diào)高和自動(dòng)化運(yùn)行的基礎(chǔ),而銷軸間隙是影響檢測(cè)精度的最主要因素。

        (2)銷軸、軸孔的磨損與變形,錐套的軸向松動(dòng),是搖臂鉸接銷產(chǎn)生間隙的最主要原因。

        (3)通過(guò)建立采高誤差模型,推導(dǎo)了銷軸間隙大小對(duì)采高影響的計(jì)算公式,繪制出滾筒中心的隨機(jī)分布范圍,其形狀近似為橢圓。

        (4)銷軸間隙與傳感器測(cè)量值變化趨勢(shì)近似為直線,因此可以用于采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)誤差補(bǔ)償,避免液壓和電控系統(tǒng)頻繁往復(fù)動(dòng)作而引起機(jī)械故障,同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)銷軸檢修提醒,提高采煤機(jī)智能化程度。

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