[摘要]隨著煤礦機械化的發(fā)展，大功率、重型懸臂式掘進機逐漸應(yīng)用到深層煤炭開采中。本文以縱軸掘進機為研究對象，通過數(shù)學模型建立了截割頭功率的理論計算模型，并列出各機械組件的力學關(guān)系。利用數(shù)值模擬軟件驗證了數(shù)學模型的有效性，并建立了虛擬樣機對橫擺機械性能進行了具體優(yōu)化。本文研究為縱軸懸臂式掘進機機械設(shè)計優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。
引言
隨著我國礦井開采巷道斷面的增大，重型化、大功率懸臂式掘進機受到煤礦企業(yè)青睞。國內(nèi)關(guān)于懸臂式掘進機研究主要集中在提高截割效率、增加截割功率上，卻很少研究機械設(shè)備的可靠性、能耗以及開采成本等問題?？v軸懸臂式掘進機的截割效率是由橫擺速度決定的，該參數(shù)也決定著掘進機回轉(zhuǎn)臺壽命和掘進能力。筆者采用虛擬樣機技術(shù)對掘進機橫擺性能進行分析，提出了經(jīng)濟截割最優(yōu)伸縮速度，為煤礦機械設(shè)備的性能優(yōu)化提供了參考。
1數(shù)學模型
由上述計算可以看出，液壓桿縮進速度要比伸出速度慢，而且隨著懸臂式掘進機截割頭擺動角度的增加這個速度差會越來越大。按照掘進機的機械設(shè)計需求，截割頭液壓組件不能超過35度的最大擺角。因此，可計算出液壓桿的縮進量為398.7毫米、伸出量為431.6毫米，按照一定的單位時間可測量出液壓桿的伸縮速度。按照該款縱軸懸臂式掘進機設(shè)計參數(shù)可以利用上述公式計算出橫擺在單側(cè)擺動時的參數(shù)
2截割頭載荷計算
在煤礦井下掘進機開拓過程中，按照國外學者的研究成果可以計算出單個截齒在截割過程中收到的截割阻力，牽引阻力和截割阻力分別為：
按照煤礦工程力學分析，利用數(shù)值模擬軟件結(jié)合上述兩個公式可以將開拓時每個截齒的受力情況繪制出來。
按照上述可以計算出截割頭在工作過程中的最高截割功率和轉(zhuǎn)速及瞬間力矩的相關(guān)性，由此看出，截割電機額定功率非常接近截割有的最高截割功率。可以推斷，按照第一章數(shù)學模型反向求出的單位功耗和數(shù)值模擬軟件求出的截割載荷是相同的。
3機械性能優(yōu)化
筆者利用Pro/E三維實體建模軟件配置虛擬樣機里模型，利用無縫接口軟件在ADAMS中導(dǎo)入虛擬樣機模型，并配備有限元分析軟件。最終建立了具有剛?cè)狁詈咸匦缘目v軸懸臂式掘進模型。
通過軟件對懸臂式掘進機進行橫擺速度優(yōu)化可以降低機械生產(chǎn)成本、提高單位時間內(nèi)的開采效率、縮短截割頭設(shè)計時間、提高回轉(zhuǎn)臺的機械性能質(zhì)量。例如，將液壓桿伸出速度作為機械優(yōu)化核心，利用步驟函數(shù)得到五次序列值，可以比照五次不同截割功率下液壓桿的伸出速度、回轉(zhuǎn)臺疲勞性、液壓桿壽命以及截割頭受到的應(yīng)力，以此來獲得最佳的優(yōu)化方案。通過機械性能優(yōu)化得到橫擺機械性能報告和機械性能關(guān)聯(lián)參數(shù)。
4結(jié)論
煤礦開采中，縱軸懸臂式掘進機發(fā)揮著巨大功效，在截割頭橫擺開拓中，液壓桿伸出量和縮進量差值是隨著橫擺擺動角度的增加而增大的，呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。利用數(shù)學模型反向求解推到出的截割頭單位時間功耗和數(shù)值模擬軟件繪制出的截割頭最高功率基本相符，為橫擺機械性能的模擬優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。采用虛擬樣機建立了截割頭工作模型并得出了最佳伸縮速度。該優(yōu)化方法的提出為較少煤礦機械能耗、提高懸臂式掘進工作效率提供了新的改進手段。
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