采煤機(jī)滾筒輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

趙麗娟　胡春梅　劉旭南　朱　帥

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　遼寧 阜新 123000)

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采煤機(jī)滾筒輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

趙麗娟胡春梅*劉旭南朱帥

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院遼寧 阜新 123000)

摘要為解決滾筒的參數(shù)化建模、切削面積和方正率的計(jì)算、切削圖、截齒排列圖、截割性能曲線圖的繪制以及采煤機(jī)動(dòng)態(tài)可靠性分析載荷文本的生成等問(wèn)題，采用Matlab與Excel聯(lián)合開(kāi)發(fā)出采煤機(jī)滾筒輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件。根據(jù)滾筒的外形尺寸、截齒和煤巖的性質(zhì)、采煤工作面的賦存條件及確定的工況等相關(guān)參數(shù)，應(yīng)用此軟件可設(shè)計(jì)出截割比能耗較低、切削面積較大的SL1000型采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)。經(jīng)驗(yàn)證，該軟件可快速實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)、高效、低能耗的目標(biāo)，縮短了采煤機(jī)滾筒的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了采煤機(jī)滾筒的設(shè)計(jì)能力和工作性能。

關(guān)鍵詞MATLAB采煤機(jī)切削圖截齒排列截割性能

0引言

采煤機(jī)滾筒是采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，其主要工作形式是通過(guò)布置在其上的截齒對(duì)煤巖進(jìn)行切削并將其剝落，消耗的功率約占總裝機(jī)功率的80%～90%，是采煤機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]。其設(shè)計(jì)是否合理關(guān)系到采煤機(jī)的生產(chǎn)率、截割比能耗、塊煤率、截齒的受力狀態(tài)等諸多方面，影響采煤機(jī)工作的可靠性[2-5]。國(guó)內(nèi)外研究人員進(jìn)行了大量研究， Hekimoglu對(duì)螺旋升角與滾筒截割性能之間的關(guān)系進(jìn)行研究[6]，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)滾筒切削力與螺旋升角有著顯著的聯(lián)系。Bilgin建立了22種不同抗壓強(qiáng)度的巖石試樣，對(duì)截割比能耗以及截齒受力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)值與理論值具有較好的吻合性[7]。MiKl等人采用有限元軟件ABAQUS模擬截齒的切削過(guò)程并獲得了不同幾何形狀截齒的載荷及應(yīng)力狀態(tài)[8]。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的劉送永對(duì)采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、截齒排列形式與塊煤率之間的關(guān)系也進(jìn)行了大量研究[9], 找到不同錐度、合金頭直徑的截齒與塊煤率、截割轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。黑龍江科技大學(xué)的劉春生分析鎬齒安裝角對(duì)其受力和截煤影響的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)出煤巖屬性、截齒參數(shù)與安裝角之間的定量關(guān)系[10]。這些方法都很好地針對(duì)某一個(gè)或幾個(gè)設(shè)計(jì)變量研究了截齒性能、可靠性及其對(duì)滾筒性能的影響，而本文綜合考慮這些參數(shù)對(duì)采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)性能的影響，開(kāi)發(fā)了采煤機(jī)滾筒輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件，對(duì)提高采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率，降低采煤機(jī)開(kāi)發(fā)成本，提高其工作性能具有重要意義。

1采煤機(jī)滾筒輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件開(kāi)發(fā)

采煤機(jī)滾筒輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件包括Excel和Matlab兩部分[11,12]。Excel實(shí)現(xiàn)了參數(shù)輸入、結(jié)果顯示、輔助計(jì)算等功能； Matlab編寫(xiě)的主程序既能調(diào)用Excel中的參數(shù)，又能將計(jì)算結(jié)果顯示在Excel中。該軟件具有如下特點(diǎn)：

(1) 在Excel中輸入、顯示參數(shù)，直觀、易于設(shè)計(jì)人員使用；

(2) 軟件可獲得截齒排列圖、切削圖以及力、力矩、電機(jī)功率曲線圖，并將重要數(shù)據(jù)返回Excel表格，通過(guò)對(duì)比并修改Excel表格中的參數(shù)可快速實(shí)現(xiàn)滾筒的優(yōu)化設(shè)計(jì)；

(3) Excel表格中的截齒排列參數(shù)可實(shí)現(xiàn)滾筒在PRO/E中的族表參數(shù)化建模，避免了截齒干涉；

(4) 軟件還可以生成txt載荷文本，為采煤機(jī)動(dòng)態(tài)可靠性研究提供載荷曲線；

(5) 實(shí)用性強(qiáng)，降低了對(duì)使用人員的要求，應(yīng)用該軟件只要略有采煤機(jī)設(shè)計(jì)知識(shí)即可開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)良的采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)。

1.1程序總體結(jié)構(gòu)

采煤機(jī)滾筒輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件實(shí)現(xiàn)從Excel表格中錄入基本參數(shù)，由Matlab進(jìn)行計(jì)算，并將結(jié)果返回Excel表格并生成Fig圖像及txt文本的過(guò)程，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　程序結(jié)構(gòu)框圖

1.2程序界面

Excel表格包括Sheet1和Sheet2。其中Sheet1用于輸入采煤機(jī)重要幾何參數(shù)、相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在計(jì)算完成后返回截齒排列參數(shù)，如表1所示。Sheet2用于輸入煤、巖石、包裹體等物理力學(xué)參數(shù)、截齒的幾何參數(shù)、采煤機(jī)仿真時(shí)間及步長(zhǎng)等參數(shù)，在計(jì)算完成后返回包括力學(xué)、功率、截割比能耗、切削面積、方正率等反映采煤機(jī)截割性能的參數(shù)，并得到相應(yīng)參數(shù)的最大、最小、平均值以及方差和波動(dòng)系數(shù)等，如表2所示。 Matlab不僅可以反饋給Excel必要的參數(shù)，還可以繪制Fig圖形，其中包括截齒排列圖、力、力矩、功率曲線以及切削圖，同時(shí)還為采煤機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真提供txt載荷文本。

表1　截齒排列計(jì)算部分的表格

續(xù)表1

表2　截割性能計(jì)算部分表格

續(xù)表2

1.3基于Matlab的程序設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1的基本思想，采用Matlab將整個(gè)程序分成三個(gè)組成部分進(jìn)行編譯，即：截齒排列部分、截割性能計(jì)算部分及切削圖生成部分。

1.3.1截齒排列部分

通過(guò)采煤機(jī)幾何及運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，計(jì)算出截齒排列參數(shù)、生成截齒排列圖并為滾筒截割性能計(jì)算提供必要的參數(shù)，其程序流程如圖2所示。

圖2　截齒排列部分程序流程圖

Matlab先從Sheet1中讀取采煤機(jī)重要幾何參數(shù)、相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過(guò)式(1)計(jì)算出截線距：

tj=2h·tanφ

(1)

式中，φ為崩落角；h為切削厚度。程序?yàn)槿~片的布齒提供等差和等距兩種方案。采用等距原則時(shí)，通過(guò)式(2)便可計(jì)算出葉片段的截線條數(shù)：

(2)

采用等差原則時(shí)，則通過(guò)式(3)計(jì)算葉片段的截線條數(shù)：

(3)

式中，?」為向下取整；Lg為葉片段長(zhǎng)度，Lw為第1把截齒到滾筒采空區(qū)側(cè)端面的距離；d為公差。限定葉片頭數(shù)、旋向及排列方式，通過(guò)截線距及截線條數(shù)便可確定齒尖的軸向位置，由式(4)確定截齒的圓周角：

(4)

式中，Zi為第i把截齒到滾筒采空區(qū)側(cè)端面的距離；αy為螺旋升角；Dy為葉片外緣直徑。葉片段的截齒均為零度齒，齒尖的徑向位置為滾筒直徑的一半。

常見(jiàn)端盤(pán)結(jié)構(gòu)有平端盤(pán)和蝶形端盤(pán)兩種，平端盤(pán)截割時(shí)端面與煤壁間幾乎沒(méi)有落煤空間，二者摩擦劇烈，易造成端面磨損，故推薦蝶形端盤(pán)，其傾角一般大于15°，從而形成一定的落煤空間。端盤(pán)的工作條件較為惡劣，其安裝的截齒數(shù)量多、密度大，應(yīng)在滿足使用要求的前提下，避免各齒座間以及齒座與噴嘴之間發(fā)生干涉[13]。根據(jù)式(5) 、式(6)確定端盤(pán)截齒總數(shù)Wd及截線總數(shù)Nd。

(5)

(6)

圖3　端盤(pán)上的截齒

式中，Dy為螺旋葉片直徑；L1為端盤(pán)上齒座長(zhǎng)度；L2為噴嘴座及其兩側(cè)間隙長(zhǎng)度之和；N為葉片頭數(shù)。由于端盤(pán)寬度較小，一般可布置5～9條截線，當(dāng)Nd不在該范圍時(shí)，可調(diào)整L2的值來(lái)滿足要求。端盤(pán)上的截齒安裝如圖3所示，其徑向、軸向位置可由式(7)、式(8)求得：

Ri=0.5Dc-L3(1-cosβi)

(7)

Zi=Lg+L4+L3sinβi

(8)

式中，Dc為滾筒直徑；β為端盤(pán)截齒的軸向傾角；L3為端盤(pán)截齒齒尖到齒座回轉(zhuǎn)中心距離；L4為端盤(pán)外緣到非采空區(qū)側(cè)滾筒端面的距離。

程序根據(jù)截齒所處的圓周角度、徑向、軸向距離來(lái)定位所有截齒齒尖的位置，再結(jié)合安裝角與傾角的關(guān)系以及齒座的相關(guān)信息便可為截齒定位，通過(guò)Plot命令便可繪制出截齒排列圖。

1.3.2截割性能計(jì)算部分

截割性能計(jì)算部分程序考慮了截割全煤、含夾矸煤、含包裹體煤3種工況，其流程是分別求出每把截齒的受力，通過(guò)力、力矩轉(zhuǎn)化原理將所有力轉(zhuǎn)化到滾筒質(zhì)心處形成三向力、三向力矩。生成的載荷曲線文本可通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真軟件直接讀入模型中，為采煤機(jī)動(dòng)態(tài)可靠性研究提供量化依據(jù)，其程序流程如圖4所示。

圖4　截割性能計(jì)算程序流程圖

1.3.3切削圖生成部分

切削圖生成部分用于繪制切削圖并根據(jù)切削形狀計(jì)算切削面積及方正率，其程序流程如圖5所示。將截齒排列部分的S1P1及截割性能計(jì)算部分的S2P1的參數(shù)導(dǎo)入切削圖生成部分。整個(gè)切削圖的繪制由一個(gè)循環(huán)語(yǔ)句控制，對(duì)于任意一次截割均需要確定截齒的截割點(diǎn)以及上、下崩落線，在進(jìn)行一次循環(huán)后，次數(shù)變成第i+1次，直至達(dá)到總循環(huán)次數(shù)S跳出循環(huán)體，繪制出最終的切削圖，當(dāng)用戶不滿意時(shí)可根據(jù)需要對(duì)S2O1及S1O1的參數(shù)進(jìn)行修改，直至用戶滿意為止。

圖5　切削圖生成部分的程序流程圖

圖6　上下交點(diǎn)的確定

在繪制上、下崩落線時(shí)，需要找到該次崩落線與上次形成截槽的交點(diǎn)，在各自的循環(huán)中將截割點(diǎn)與上、下交點(diǎn)相連形成一個(gè)切削形狀，在S次循環(huán)后便可形成該滾筒的切削圖。對(duì)形成切削圖而言，確定上、下交點(diǎn)的位置至關(guān)重要。以順序式為例，確定上、下交點(diǎn)，其崩落線交點(diǎn)A、E如圖6所示。

1.3.3.1上交點(diǎn)的確定

第i+1條截線上的截齒P(i+1,j)(下標(biāo)j代表該截線上的第j把截齒)先截割并在煤巖體上形成截槽，當(dāng)采煤機(jī)牽引水平CD長(zhǎng)度時(shí)，恰好相鄰的第i條截線上的第j把截齒截割形成新的截槽，其上崩落線與相鄰的第i+1條截線形成的截槽下崩落線相交，交點(diǎn)為A (上交點(diǎn))。兩條截線上截齒的崩落角均為φ，截點(diǎn)C、D為已知點(diǎn)，其坐標(biāo)分別為(xC，yC)，(xD，yD)，假設(shè)交點(diǎn)A坐標(biāo)(x，y)，BC上任意一點(diǎn)M坐標(biāo)(x1，y1)，AD上任意一點(diǎn)N坐標(biāo)(x2，y2)。

則BC直線方程：

(9)

AD直線方程：

(10)

當(dāng)點(diǎn)M、N為同一點(diǎn)，即為點(diǎn)A時(shí)，聯(lián)立式(9)、式(10)即可得到點(diǎn)A的坐標(biāo)：

(11)

(12)

1.3.3.2下交點(diǎn)的確定

第i-1條截線上的截齒P(i-1,j-1)在截割時(shí)留下截槽(如圖6中虛線)，當(dāng)采煤機(jī)牽引水平BD 長(zhǎng)度時(shí)，第i條和第i-1條截線上的截齒P(i,j)、P(i-1,j)便會(huì)留下新的截槽(如圖6中實(shí)線所示)。此時(shí)，第i條截線上截齒的下崩落線便會(huì)與第i-1條截線的上崩落線相交，交點(diǎn)記為E (下交點(diǎn))，下交點(diǎn)的確定方式與上交點(diǎn)一致，可得到點(diǎn)E的坐標(biāo)：

(13)

(14)

在求得截割點(diǎn)及上下交點(diǎn)后，便可繪制上下崩落線，在程序運(yùn)算結(jié)束后，便可形成在仿真時(shí)間t內(nèi)的切削圖，同時(shí)根據(jù)截割點(diǎn)及上下交點(diǎn)的位置以及崩落角便可計(jì)算出切削面積及方正率，并返回給Sheet2，通過(guò)這兩項(xiàng)指標(biāo)可以較好地了解采煤機(jī)的塊煤率，結(jié)合截割功率及截割比能耗能夠較全面地了解采煤機(jī)的切削性能。

2采煤機(jī)滾筒輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件的應(yīng)用

某公司開(kāi)發(fā)的采煤機(jī)滾筒就采用了該軟件，基于滾筒外形尺寸、截齒和煤巖性質(zhì)等相關(guān)參數(shù)，通過(guò)分析各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)采煤機(jī)滾筒截割性能的影響，找到了最適合于該型(SL1000型)采煤機(jī)滾筒的設(shè)計(jì)方案，即選取4頭葉片，截齒采用順序式排列方式，滾筒轉(zhuǎn)速為30.2r/min，當(dāng)牽引速度為9m/min、截割堅(jiān)固性系數(shù)為3.11的韌性煤時(shí)，能保證電機(jī)消耗功率844.714 KW<1000 KW，且能保證截割比能耗較低(0.856 KW·h/m3)、切削面積達(dá)到較大值(4088.2 mm2)。其得到的截齒排列方式如圖7所示，建模軟件PRO/E建立的滾筒三維模型如圖8所示,力、力矩、功率反映截割性能的曲線如圖9所示，切削圖如圖10所示。由此可見(jiàn)，基于“采煤機(jī)滾筒輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件”設(shè)計(jì)的采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)實(shí)體模型，其截齒排布均勻、結(jié)構(gòu)合理，消除了截齒干涉的可能；生成的切削圖塊度及方正率較大；滾筒所受載荷波動(dòng)較小，可有效降低截齒失效、機(jī)器振動(dòng)所造成的經(jīng)濟(jì)損失，提高采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)可靠性和工作穩(wěn)定性。

圖7　截齒排列

圖8　Pro/E三維實(shí)體模型

圖9　截割性能曲線

圖10　滾筒葉片切削圖

應(yīng)用該軟件設(shè)計(jì)出的滾筒不僅可以保證最佳的切削效果，還能保證截齒排布均勻、結(jié)構(gòu)合理、各截齒受載均衡，避免了某些截齒頻繁損壞，減少了截齒的更換次數(shù)，提高了截割效率及滾筒的使用壽命，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)、高效、低能耗的目標(biāo)，縮短了采煤機(jī)滾筒的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了采煤機(jī)滾筒的設(shè)計(jì)能力。

3結(jié)語(yǔ)

(1) 開(kāi)發(fā)了“采煤機(jī)滾筒輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件”， 可生成基于實(shí)際工況的截齒排列圖、力、力矩、功率曲線以及切削圖，同時(shí)還可為采煤機(jī)動(dòng)態(tài)可靠性研究提供txt載荷文本。

(2) 應(yīng)用該軟件設(shè)計(jì)出的滾筒不僅可以保證最佳的切削效果，還能保證截齒排布均勻、結(jié)構(gòu)合理、各截齒受載均衡，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、高效、低能耗的目標(biāo)，縮短了采煤機(jī)滾筒的設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了采煤機(jī)滾筒的設(shè)計(jì)能力。

(3) 根據(jù)采煤工作面的賦存條件以及確定的工況，為SL1000型采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)提供了最佳的設(shè)計(jì)方案，使其截割比能耗較低、塊煤率較大，具有更優(yōu)的截割性能和更高的工作可靠性。

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DEVELOPMENT AND APPLICATION OF COMPUTER-AIDED DESIGN AND LOAD CALCULATION SOFTWARE FOR SHEARER DRUM

Zhao LijuanHu Chunmei*Liu XunanZhu Shuai

(SchoolofMechanicalEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,Liaoning,China)

AbstractIn order to solve the problems including the parameterised modelling of drum, the calculation of cutting area and squareness rate, the drawing of cutting diagram, picks arrangement diagram and cutting performance curves diagram, and the load text generation for dynamic reliability analysis of shearer, in this article we jointly use Matlab and Excel to have developed the computer-aided design and load calculation software for shearer drum. According to the correlated parameters such as the dimension of drum, the properties of picks and coal, the occurrence conditions of coalface, and the determined conditions, etc., to apply the software can design the working mechanism of SL1000 shearer with lower energy consumption of cutting ratio and larger cutting areas. It is verified that the software can quickly realise the design of shearer operation mechanism, achieve the goals of high yield and high efficiency with low energy consumption, shorten the design time of shearer drum and improve the design capability and working performance of shearer drum.

KeywordsMATLABShearerCutting diagramPicks arrangementCutting performance

中圖分類號(hào)TP3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.01.016

收稿日期：2014-07-16。中國(guó)煤炭工業(yè)科技計(jì)劃項(xiàng)目(MTKJ2009-264)。趙麗娟，教授，主研領(lǐng)域：復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模與仿真，數(shù)字制造技術(shù)與信息化，機(jī)電液系統(tǒng)的仿真與應(yīng)用，機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析與控制。胡春梅，碩士生。劉旭南，博士。朱帥，碩士生。