王志強(qiáng)

（陽(yáng)泉市南莊煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司西上莊煤礦，山西 太原 045000）

引言

隨著煤礦綜采工作面自動(dòng)化水平的不斷提升，采煤機(jī)普遍都在使用自動(dòng)調(diào)高機(jī)構(gòu)，能顯著提升采煤機(jī)的綜合性能[1-2]。目前在對(duì)采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，普遍都是根據(jù)設(shè)計(jì)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)或者參照其他采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上制作樣機(jī)并開(kāi)展試驗(yàn)工作[3]。這種設(shè)計(jì)方法不僅設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，整個(gè)設(shè)計(jì)期間需要不停地試錯(cuò)與調(diào)整，需要投入大量的時(shí)間和精力，且所得結(jié)果不是最優(yōu)結(jié)果[4]。將先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字模擬技術(shù)應(yīng)用到采煤機(jī)械裝備設(shè)計(jì)中，可以顯著縮短機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期，并對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，所得結(jié)果為最優(yōu)結(jié)果[5-6]。本文對(duì)采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)開(kāi)展受力分析，在掌握受力特征的基礎(chǔ)上，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，對(duì)于提升采煤機(jī)的性能具有重要的實(shí)踐意義。

1 采煤機(jī)基本結(jié)構(gòu)概述

以煤礦中使用比較廣泛的MG2×1607710-WD型采煤機(jī)為例進(jìn)行闡述，如圖1 所示為該型號(hào)采煤機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，主要有四個(gè)比較重要的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，分別為牽引機(jī)構(gòu)、截割機(jī)構(gòu)、調(diào)高機(jī)構(gòu)和電控系統(tǒng)。截割機(jī)構(gòu)的作用是在電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)作用下，對(duì)煤壁進(jìn)行切割；牽引機(jī)構(gòu)的作用是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在綜采工作面的移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)采煤；調(diào)高機(jī)構(gòu)的作用是對(duì)采煤機(jī)的高度進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)不同高度方向上煤壁的截割，該機(jī)構(gòu)利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；電控系統(tǒng)則是對(duì)整個(gè)采煤機(jī)進(jìn)行控制，從而完成整個(gè)采煤過(guò)程。

圖1 采煤機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 調(diào)高機(jī)構(gòu)基本參數(shù)

如圖2 所示為MG2×1607710-WD 型采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖中，L1表示液壓油缸的固定點(diǎn)長(zhǎng)度，L2表示大搖臂長(zhǎng)度，R 表示小搖臂長(zhǎng)度，大搖臂和小搖臂之間的夾角為90°。此三個(gè)參數(shù)對(duì)調(diào)高機(jī)構(gòu)的受力情況影響最為顯著，其取值分別為2 121 mm、2 433 mm、850 mm。α 表示大搖臂的擺角，在-10°～20°范圍內(nèi)調(diào)整變化。調(diào)高機(jī)構(gòu)的工作原理可以概述如下：調(diào)高機(jī)構(gòu)工作時(shí)，在液壓系統(tǒng)的綜合作用下，使得液壓油缸活塞發(fā)生運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)油缸長(zhǎng)度的伸縮，由于小搖臂和大搖臂的角度固定，油缸活塞的運(yùn)動(dòng)可以帶動(dòng)小搖臂和大搖臂同步擺動(dòng)，最終帶動(dòng)滾筒動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)截割滾筒高度的調(diào)整。

圖2 采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

采煤機(jī)的牽引速度和調(diào)高速度分別為7.9 m/min和3.3 m/min。假設(shè)所截割的煤層屬性相對(duì)較為均勻，且滾筒旋轉(zhuǎn)速度也較為穩(wěn)定，可以計(jì)算得到采煤機(jī)的推進(jìn)阻力和截割阻力分別為102.96 kN 和66.68 kN。基于上述技術(shù)參數(shù)，利用MATLAB 軟件對(duì)采煤機(jī)大搖臂擺角在-10°～20°范圍變化時(shí)，調(diào)高機(jī)構(gòu)的受力特征進(jìn)行計(jì)算分析。

3 調(diào)高機(jī)構(gòu)受力特征

如下頁(yè)圖3 所示為基于MATLAB 軟件計(jì)算得到的調(diào)高機(jī)構(gòu)油缸的受力特征。從圖中可以看出，調(diào)高機(jī)構(gòu)不管是在上調(diào)油缸階段還是在下調(diào)油缸階段，油缸負(fù)載基本上具有相同的變化規(guī)律，即隨著調(diào)高角度的不斷增加，油缸負(fù)載整體上呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，最終基本保持穩(wěn)定。另外，對(duì)比下調(diào)階段和上調(diào)階段油缸負(fù)載大小，可以發(fā)現(xiàn)上調(diào)階段油缸負(fù)載比下調(diào)階段要大很多。出現(xiàn)這種情況的原因是采煤機(jī)自身的結(jié)構(gòu)重量較大，在上調(diào)階段油缸需要克服結(jié)構(gòu)自身重力，而在下調(diào)階段結(jié)構(gòu)自身重量可以作為驅(qū)動(dòng)力，因此油缸負(fù)載相對(duì)較小。

圖3 調(diào)高機(jī)構(gòu)油缸的受力特征

液壓油缸負(fù)載大小對(duì)整個(gè)調(diào)高機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程的穩(wěn)定性有非常重要的影響，如果負(fù)載較大則會(huì)威脅整個(gè)結(jié)構(gòu)運(yùn)行的可靠性和安全性。已有的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論分析均表明，當(dāng)液壓油缸的負(fù)載較大時(shí)，容易使整個(gè)調(diào)高機(jī)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)問(wèn)題。上文已述，采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)中，小搖臂長(zhǎng)度R、大搖臂長(zhǎng)度L2和壓油缸固定點(diǎn)長(zhǎng)度L1三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)油缸負(fù)載影響比較顯著?；诖耍梢砸陨鲜鋈齻€(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化條件，以油缸負(fù)載優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4 調(diào)高機(jī)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)研究

根據(jù)上述思路，通過(guò)MATLAB 軟件自帶的優(yōu)化工具箱開(kāi)展調(diào)高機(jī)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)工作，得到的最優(yōu)結(jié)果如表1 所示，表中還列出了優(yōu)化改進(jìn)前后各技術(shù)參數(shù)的變化情況。

表1 采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比

由表中數(shù)據(jù)可知，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，使得調(diào)高機(jī)構(gòu)的小搖臂長(zhǎng)度和大搖臂長(zhǎng)度分別增大了6.59%和3.45%，液壓油缸固定長(zhǎng)度降低了4.57%。值得一提的是，對(duì)調(diào)高機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)前，液壓油缸的行程大小為240 mm，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)，使液壓油缸的行程降低到了223 mm，降低幅度為7.08%。液壓油缸行程縮短，意味著調(diào)高機(jī)構(gòu)可以在更短的時(shí)間內(nèi)將截割滾筒調(diào)整到對(duì)應(yīng)的位置，從而提升設(shè)備運(yùn)行效率，為采煤效率的提升奠定良好的基礎(chǔ)。

如圖4 所示為優(yōu)化改進(jìn)后調(diào)高機(jī)構(gòu)油缸的受力特征。對(duì)比優(yōu)化改進(jìn)前后調(diào)高機(jī)構(gòu)油缸的受力特征，可以發(fā)現(xiàn)兩者基本上具有相同的演變規(guī)律。但是優(yōu)化改進(jìn)后，液壓油缸不管是在上調(diào)階段還是下調(diào)階段，油缸負(fù)載全部有了一定程度的降低。上調(diào)階段油缸負(fù)載的最大值由優(yōu)化改進(jìn)前的330.51 kN 降低到了優(yōu)化后的296.44 kN，降低幅度達(dá)到了10.31%；下調(diào)階段油缸負(fù)載的最大值由優(yōu)化改進(jìn)前的195.23 kN 降低到了優(yōu)化后的177.05 kN，降低幅度達(dá)到了9.31%。

圖4 優(yōu)化改進(jìn)后調(diào)高機(jī)構(gòu)油缸的受力特征

5 優(yōu)化改進(jìn)實(shí)踐應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

通過(guò)對(duì)采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)中三個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化改進(jìn)，使得液壓油缸的負(fù)載有了很大程度的降低，并且液壓油缸的行程也有了明顯縮短。不僅提升了調(diào)高機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)的工作效率，同時(shí)也提升了整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性。將以上優(yōu)化改進(jìn)方案應(yīng)用到MG2×1607710-WD 型采煤機(jī)工程實(shí)踐中，并對(duì)設(shè)備運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行連續(xù)三個(gè)月時(shí)間的觀察與監(jiān)測(cè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)在試運(yùn)行過(guò)程中相對(duì)較為穩(wěn)定，期間沒(méi)有出現(xiàn)明顯的故障問(wèn)題。經(jīng)過(guò)初步分析認(rèn)為，通過(guò)此次優(yōu)化改進(jìn)，液壓油缸的負(fù)載降低了9.31%～10.31%左右，使得采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)的故障率可以降低10%以上，為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)成本。另外，采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)工作效率和運(yùn)行可靠性均有了提升，進(jìn)一步優(yōu)化了采煤機(jī)的綜合性，為采煤效率的提升打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)語(yǔ)

以MG2×1607710-WD 型采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，在對(duì)其受力特征進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，所得結(jié)論主要有：

1）采煤機(jī)調(diào)高機(jī)構(gòu)液壓油缸負(fù)載大小對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性有重要影響，當(dāng)負(fù)載較大時(shí)容易發(fā)生振動(dòng)問(wèn)題。

2）不管是上調(diào)階段還是下調(diào)階段，隨著調(diào)高角度的不斷增加，液壓油缸的負(fù)載隨之逐漸增加，但后期增大幅度相對(duì)較小。受機(jī)構(gòu)自身重力的影響，上調(diào)階段的負(fù)載比下調(diào)階段要大很多。

3）以小搖臂長(zhǎng)度、大搖臂長(zhǎng)度和壓油缸固定點(diǎn)長(zhǎng)度三個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)為優(yōu)化對(duì)象，得到了最優(yōu)結(jié)果。使得液壓油缸行程縮短了7.08%，上調(diào)和下調(diào)階段的油缸負(fù)載分別降低了10.31%和9.31%。