[摘要]隨著煤礦機(jī)械化的發(fā)展，大功率、重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)逐漸應(yīng)用到深層煤炭開采中。本文以縱軸掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)數(shù)學(xué)模型建立了截割頭功率的理論計(jì)算模型，并列出各機(jī)械組件的力學(xué)關(guān)系。利用數(shù)值模擬軟件驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型的有效性，并建立了虛擬樣機(jī)對(duì)橫擺機(jī)械性能進(jìn)行了具體優(yōu)化。本文研究為縱軸懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了可靠的依據(jù)。
引言
隨著我國(guó)礦井開采巷道斷面的增大，重型化、大功率懸臂式掘進(jìn)機(jī)受到煤礦企業(yè)青睞。國(guó)內(nèi)關(guān)于懸臂式掘進(jìn)機(jī)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(jī)械設(shè)備的可靠性、能耗以及開采成本等問(wèn)題?？v軸懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割效率是由橫擺速度決定的，該參數(shù)也決定著掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺(tái)壽命和掘進(jìn)能力。筆者采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)橫擺性能進(jìn)行分析，提出了經(jīng)濟(jì)截割最優(yōu)伸縮速度，為煤礦機(jī)械設(shè)備的性能優(yōu)化提供了參考。
1數(shù)學(xué)模型
由上述計(jì)算可以看出，液壓桿縮進(jìn)速度要比伸出速度慢，而且隨著懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭擺動(dòng)角度的增加這個(gè)速度差會(huì)越來(lái)越大。按照掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)需求，截割頭液壓組件不能超過(guò)35度的最大擺角。因此，可計(jì)算出液壓桿的縮進(jìn)量為398.7毫米、伸出量為431.6毫米，按照一定的單位時(shí)間可測(cè)量出液壓桿的伸縮速度。按照該款縱軸懸臂式掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)可以利用上述公式計(jì)算出橫擺在單側(cè)擺動(dòng)時(shí)的參數(shù)
2截割頭載荷計(jì)算
在煤礦井下掘進(jìn)機(jī)開拓過(guò)程中，按照國(guó)外學(xué)者的研究成果可以計(jì)算出單個(gè)截齒在截割過(guò)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(xué)分析，利用數(shù)值模擬軟件結(jié)合上述兩個(gè)公式可以將開拓時(shí)每個(gè)截齒的受力情況繪制出來(lái)。
按照上述可以計(jì)算出截割頭在工作過(guò)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(jī)額定功率非常接近截割有的最高截割功率?？梢酝茢?，按照第一章數(shù)學(xué)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(jī)械性能優(yōu)化
筆者利用Pro/E三維實(shí)體建模軟件配置虛擬樣機(jī)里模型，利用無(wú)縫接口軟件在ADAMS中導(dǎo)入虛擬樣機(jī)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(jìn)模型。
通過(guò)軟件對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行橫擺速度優(yōu)化可以降低機(jī)械生產(chǎn)成本、提高單位時(shí)間內(nèi)的開采效率、縮短截割頭設(shè)計(jì)時(shí)間、提高回轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械性能質(zhì)量。例如，將液壓桿伸出速度作為機(jī)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(tái)疲勞性、液壓桿壽命以及截割頭受到的應(yīng)力，以此來(lái)獲得最佳的優(yōu)化方案。通過(guò)機(jī)械性能優(yōu)化得到橫擺機(jī)械性能報(bào)告和機(jī)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(jìn)機(jī)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(jìn)量差值是隨著橫擺擺動(dòng)角度的增加而增大的，呈現(xiàn)出非線性關(guān)系。利用數(shù)學(xué)模型反向求解推到出的截割頭單位時(shí)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(jī)械性能的模擬優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。采用虛擬樣機(jī)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(jī)械能耗、提高懸臂式掘進(jìn)工作效率提供了新的改進(jìn)手段。
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