矿用纵轴式掘进机截割头结构力学分析

以EBZ150A型纵轴式掘进机为研究对象,介绍一种掘进机截割头结构力学仿真分析方法。利用三维机械设计软件SolidWorks构建截割头三维几何模型,通过有限元分析软件ANSYS分析不同岩石条件下截割头结构变化,确认不同载荷条件对截割头结构的影响,进而通过工程应用验证截割头结构力学仿真分析方法的应用价值,旨在为后续矿用纵轴式掘进机截割头结构优化设计提供方法参考。

纵轴式掘进机的横向和纵向随机振动响应分析

通过利用文献资料法等方法对纵轴式掘进机横向和纵向随机振动响应进行了探讨与分析。在探究分析过程中利用拉格朗日方法构建了纵轴式掘进机在激励作用下的横向与纵向运动微分方程,分析了截割头在随机激励作用下产生的随机振动并利用虚拟激励法构建了振动响应的数学模型,最后获取了掘进机的响应特性。经过分析发现在外随机激励作用下,截割头和悬臂的横向位移响应幅值略小于纵向,且机体的横向位移响应幅值明显小于纵向。

多激励下新型纵轴式掘进机的纵向振动特性预测

针对目前掘进机截割时因产生大量振动而导致零部件受损及稳定性降低的问题,基于纵向截割工况,对新型纵轴式掘进机的振动特性进行分析和预测。首先,对掘进机截割头的受力进行分析,并运用Bekker沉陷理论对履带受力进行分析。然后,将履带与底板之间的接触力和截割载荷作为外部激励,采用拉格朗日方程建立掘进机的纵向非线性动力学模型。接着,基于Runge-Kutta变步长算法,利用MATLAB软件对掘进机动力学模型进行求解,并将求解结果与实验结果进行比较,验证了动力学模型的正确性。最后,利用所构建的动力学模型对不同支稳机构刚度下掘进机关键部位的振动位移进行预测。结果表明:在多个外部激励的复合影响下,掘进机整机的振动处于混沌状态,其横滚振动位移很小,俯仰振动占主导地位;随着支稳机构刚度的递增,掘进机关键部位的振动位移呈显著减小趋势,当支稳机构的刚度增大至初始刚度的3倍时,掘进机机身的振动位移减小了29%,截割臂振动位移减小了22%,截割头振动位移减小了20%。研究结果证明增大支稳机构刚度可有效减小掘进机的振动响应,这可为掘进机的稳定性提升和结构优化提供理论依据。

悬臂纵轴式掘进机截割头的有限元仿真优化设计

随着煤炭需求的不断增长,掘进机是煤炭开采中不可或缺的一种设备,而截割头则是掘进机的重要组成部分。以掘进机截割头和截齿为研究对象,采用了理论分析与有限元模拟相结合的设计手段,寻求截割头结构最优参数,为截割头的优化设计提供新的思路与依据。

纵轴式掘进机截割头横摆时的运动学分析及其仿真

利用坐标变换 ,建立了纵轴式掘进机截割头横摆时的截齿运动轨迹、运动速度和加速度方程 ,通过计算机仿真研究了截割头转速和截割臂水平摆动速度对截齿运动速度和加速度以及其相对变化率的影响 .根据仿真结果 ,截齿运动速度和加速度随截割头转速增加而快速增加 ,但其相对变化率在减小 ;截齿运动速度和加速度不会随截割臂水平摆动速度的增加而明显增加 ,但速度相对变化率增加很快 ,加速度相对变化率很小 .这些为合理选择截割头工作参数提供了理论基础 .

纵轴式掘进机横向和纵向随机振动响应的分析

为分析纵轴式掘进机在随机激励作用下的振动特性,利用拉格朗日方法建立其随机激励作用下横向和纵向的运动微分方程,以国产某型掘进机为例,针对截割头所受随机激励产生的随机振动,运用虚拟激励法导出了掘进机横向和纵向振动响应的数学模型,并利用Matlab汇编语言赋值求解,获得了该掘进机系统的固有频率和3阶振型以及在随机激励作用下截割头、悬臂和机体的位移响应特性。研究结果表明:系统的固有频率集中在低频7 Hz内,第2阶固有频率对掘进机振动影响较大。在外随机激励作用下,截割头和悬臂的横向位移响应幅值略小于纵向,机体的纵向位移响应幅值明显大于横向。为验证结论的可靠性,利用ADAMS对掘进机多刚体动力学模型仿真,理论值、模型仿真结果和实验数据较接近,证实该方法研究掘进机的随机振动可行。

纵轴式掘进机巷道断面自动截割成形控制方法

为减少无用掘进量和充填量,提高掘进效率,提出了巷道断面自动截割成形控制方法.首先根据煤矿实际工况制定了巷道断面自动截割工艺流程;然后对断面自动截割成形控制进行运动学分析,进行截割头空间位置及其机构实现的几何分析,得出截割头空间位置坐标与油缸伸缩量及截割臂摆动角之间的几何关系式.研究结果表明,直接测量控制截割头摆角更简单有效.该方法在EBZ160和EBZ200机型上得到实施,试验效果较好,为进一步研究掘进机位姿检测及定向纠偏奠定了基础.

基于ADAMS的纵轴式掘进机模态分析

为了分析纵轴式掘进机的振动特性,利用ProE/ADAMS联合仿真方法建立了纵轴式掘进机整机多刚体动力学模型,采用ADAMS/vibration振动模块对掘进机整机进行模态分析,在PostProcessing中绘制各阶模态坐标图、二维和三维频响图,得到了前19阶整机动态响应特性和模态振型。分析表明,各阶模态下机器不会发生共振,但第6阶模态对模型振动影响较大,主要是机身带动回转台及履带机构振动;在0.8 Hz左右悬臂和伸缩油缸振动较明显,截割头、悬臂及伸缩油缸的振动在超过4.0 Hz后趋于稳定。在5.0 Hz左右,机身、回转油缸、履带振动明显。超过5.0 Hz以后,升降油缸以及履带机构的振动变得明显。所得结果为改进纵轴式掘进机设计、改善机器工作性能提供了依据。

纵轴式掘进机截割头载荷影响因素的仿真分析

针对现有掘进机截割头载荷特性研究方法采用单一影响因素不能全面反映截割头载荷及其波动变化规律的问题,通过分析截割头瞬时载荷,确定了纵轴式掘进机在水平截割工况下截割头载荷的主要影响因素有截割岩石特性、截割头掏槽深度、截割头吃刀深度、截割头转速和截割臂摆速。针对某纵轴式掘进机水平截割工况,采用Matlab对影响截割头载荷的多种因素进行仿真分析,得到了各向载荷及其波动随各因素的变化规律:截割头载荷随着岩壁普氏系数的增大而增加,其中横向阻力增加尤为明显,横向阻力波动程度高于其他方向载荷,且随着岩壁普氏系数的增大呈减小趋势;随着截割头掏槽深度的增加,截割头各向载荷近似呈线性增加,其中升力增加幅度最大,各向载荷波动则随着截割头掏槽深度的增大而减小;随着吃刀深度的增加,截割头载荷总体呈增大趋势,载荷波动程度则随之减小;在截割头转速一定的情况下,截割头载荷均随着截割臂摆速的增加而增大,在同一摆速下,截割头载荷随着截割头转速的减小而增大,横向阻力波动明显高于升力和推进阻力波动,横向阻力和推进阻力波动按截割头载荷规律变化,升力波动则与之相反。截割头载荷波动变化规律与截割头载荷变化规律不尽一致,有时甚至相互冲突。因此,掘进机作业过程中应合理选择截割头掏槽深度、吃刀深度等操作参数和截割头转速、截割臂摆速等运动参数,使各参数相互匹配,以减小掘进机振动,延长使用寿命。

纵轴式掘进机截割机构纵向随机振动的仿真研究

为了了解纵轴式掘进机的纵向振动特性,提高机器工作的可靠性,分析并确定截割头随机载荷的数学模型,利用拉格朗日方法建立了该型掘进机的纵向动力学模型,通过拉氏变换法对动力学方程解耦,得到了其3阶固有频率和振型.为进一步探究截割头与悬臂、悬臂与机体的刚度对截割头和悬臂振动的影响,利用虚拟激励法求得截割头、悬臂的纵向位移响应,并在ADAMS中对整机多刚体动力学模型仿真,验证了该方法的可靠性.研究结果表明:系统的纵向振动固有频率在6Hz内,通过增加悬臂与机体的刚度能明显减小外随机激励作用下截割头和悬臂的振动.所得结论为改进掘进机设计和参数优化提供理论依据.

纵轴式掘进机纵向随机振动响应的研究

为了探究纵轴式掘进机在随机激励作用下的纵向振动特性,根据多体动力学的理论和方法,建立了该型掘进机纵向动力学模型,利用拉格朗日方法建立其随机激励作用下的纵向运动微分方程。针对某型纵轴掘进机截割头所受随机激励产生的随机振动,运用虚拟激励法推导了掘进机纵向振动响应的数学模型,并利用MATLAB汇编语言赋值求解,得到该掘进机在随机激励作用下截割头、悬臂和机体的响应特性。结果表明:截割头、悬臂和机体的固有频率分别为3.2 Hz、2.9 Hz和2.3 Hz。在外随机激励作用下,随着悬臂与机体间刚度和阻尼的增大,截割头和机体的位移响应谱峰值逐渐减小,通过增加悬臂与机体、机体与底板间的刚度和阻尼,可有效减小整机的纵向振动。利用Adams对掘进机多刚体动力学模型仿真,证实了该方法研究掘进机的随机振动可行。

基于PCC的纵轴式掘进机自主截割控制系统研究

以典型的纵轴式掘进机为研究对象,详细的介绍了系统的控制原理,并采用了PCC+智能工控面板的控制模式对系统进行了搭建。对三项关键技术之一的截割轨迹规划进行了重点研究:分析了煤岩硬度与截割臂摆速、截割电机转速之间的关系,并以此为依据对影响截割的环境因素进行建模;采用栅格法建立了巷道断面栅格地图,基于该地图规划躲避夹矸位置的截割轨迹;依照截割工序,按照煤层软硬程度不同,分别规划了相应的截割轨迹及自动控制流程;分析了掘进机机身位姿偏差对截割轨迹的影响。研究结果表明:掘进机自主截割控制系统已初步搭建,有待开展另外两项关键技术的研究及井下工业性试验。

基于ADAMS的纵轴式掘进机纵向振动的仿真研究

为了掌握纵轴式掘进机的纵向振动特性,提高机器工作的可靠性,利用多体动力学理论,建立了掘进机的多刚体动力学模型,分析并确定了截割头载荷及履带与底板之间的载荷。通过模态分析,提取了系统的模态振型并绘制了系统振动的频响图,确定了振动较大的频率范围。为进一步探究纵轴式掘进机的振动特性,利用计算机数值仿真研究液压系统的阻尼、截割头、悬臂与机体的刚度和质量变化对掘进机振动的影响,获得了截割头、悬臂、机体几何中心的纵向振动特征。研究结果表明:当机体质量增加5%时,截割头、悬臂的纵向振幅分别减小38%、20%;当液压系统的阻尼系数增加20%时,截割头、悬臂、机体的纵向振幅分别减小33%、12%、10%;当机体的刚度增加1倍时,截割头、悬臂的纵向振幅分别减小35.8%、25%,所得结论为进一步分析掘进机振动特性提供了理论依据。

纵轴式掘进机钻进工况的运动学模型

为了解决纵轴式部分断面掘进机在钻进过程中,截割头几何参数、运动参数对截齿的速度、加速度影响问题。通过分析,给出掘进机钻进时截齿的运动轨迹,建立了掘进机在钻进工况下单个截齿的螺旋线方程,并导出其运动速度和加速度的方程,所建立的运动学模型为研究掘进机钻进工况的运动学、动力学特征,改善机器工作性能奠定基础。

纵轴式掘进机自动截割断面边界控制误差分析

为实现掘进装备的高精度自动截割、自主巡航,提出了一种纵轴式掘进机自动截割断面边界控制误差分析方法。明确了掘进机自动截割控制系统的误差来源,主要包括系统稳态误差、传感器精度、截割臂惯性、系统控制方法及其他非理论计算因素。对系统进行了仿真,结果表明负载干扰对系统的稳态特性影响较小,系统是稳定的。对各单项误差进行了计算,最终得到自动截割断面水平边界最大控制误差为71.30mm、垂直边界最大控制误差为55.27mm,达到《煤矿井巷工程质量检验评定标准》中规定的最高(优良)标准。进行了掘进机自动截割控制地面试验,实际测量得到系统断面水平边界最大控制误差为45mm、垂直边界最大控制误差为12mm。

纵轴式掘进机截割头形体尺寸的研究

本文对纵轴式掘进机截割头的形体尺寸及其影响作了较深入的研究,这对于截割头的设计和改进有一定的指导意义。

基于Proe/Adams的纵轴式掘进机虚拟样机建模

基于Pro/e的变量化设计和实体造型技术,实现了纵轴式掘进机各组成部分的建模及装配,建立了纵轴式掘进机的三维实体模型,讨论并确定了截割头空间载荷和履带-地面载荷的计算方法,完成了Adams/view软件操作环境和虚拟样机分析的前处理过程,建立了纵轴式掘进机的虚拟样机模型,为研究纵轴式掘进机整机的动态特性奠定了基础。

纵轴式掘进机截齿排列的参数化设计

为了解决掘进机截割头截齿排列理论缺乏、难度大,设计水平低、截割性能差等问题,建立了截齿排列的参数化理论,讨论了包络面、等升角螺旋线、母线的连接、螺旋线上截齿的分布等问题。利用MATLAB GUIDE语言编制计算机程序,设计了"截割头形状设计"面板、"螺旋线设计"面板、"截齿分布"面板、对外接口等截齿排列参数化软件模块,并以实例介绍了纵轴式掘进机截割头截齿排列的参数化实现。结果表明,该方法丰富了截齿排列理论,使设计水平和工作效率明显提高。

纵轴式切割头运动分析

分析了掘进机纵轴式切割头截齿运动规律，给出了其运动速度一般数学表达式，探讨了影响截齿运动速度的因素。

纵轴式掘进机截割人工岩壁的振动试验研究

为解决纵轴式掘进机截割硬岩时振动幅度较大的问题,对其振动特性进行了试验研究。通过建立人工岩壁和试验测试系统,并按照实际工况及不同工作参数,对EBZ315纵轴式掘进机进行截割人工岩壁的振动试验研究。对振动数据从时域与频域进行了进一步的分析,结果显示,EBZ315纵轴式掘进机截割普氏系数为8的硬岩时局部加速度最大不超过6g(g为重力加速度),整体振幅较小,各部件不存在共振现象,说明该掘进机稳定性好,截割能力富余,可以经济地应用于硬岩巷道掘进。