掘进机截割过程振动特性分析
发布时间：2021-12-18 01:57
采掘失调在当前的煤炭生产中,日益显现。提高掘进机工作效率、降低系统故障率对缓解采掘失调的矛盾具有重要的意义。掘进机破碎煤壁产生的振动冲击,不仅会加快掘进机零部件的磨损,降低使用寿命,而且易造成电气控制系统和液压驱动系统故障,延长维护周期。因此,研究掘进机振动特性对提升机械性能,降低故障率具有积极的作用。本文以纵轴式悬臂掘进机为研究对象,采用理论建模与数值仿真相结合的方法,研究掘进机在不同工况下的振动特性及其系统内部参数对共振特性的影响。主要内容如下:（1）通过对安装在截割头上的镐形截齿进行载荷分析和位置分布规律研究,建立截割头模型的载荷计算公式;通过对履带行走机构的结构和运行阻力进行研究,建立履带行走机构驱动力的计算公式;建立掘进机截割臂—弯曲振动模型,求出截割臂主振型函数和截割臂动力响应。（2）基于多体动力学理论,在建立截割头载荷、履带行走机构驱动力计算公式的基础上,考虑截割臂在振动中的柔性变形,采用哈密顿原理,建立掘进机在竖直截割工况和回转截割工况下的动力学模型。采用多尺度法求解动力学方程,得出系统共振特性方程。（3）基于建立的掘进机在竖直截割工况和回转截割工况下的动力学模型,采用...
【文章来源】：辽宁工程技术大学辽宁省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纵轴式悬臂掘进机Figure1.1Longitudinal-axialboom-typeroadheader
辽宁工程技术大学硕士学位论文72掘进机截割过程载荷模型建立掘进机截割过程的载荷和驱动力模型对研究纵轴悬臂式掘进机振动特性具有重要意义。为确定掘进机截割煤壁时受到的载荷和主驱动力，首先应确定掘进机的工作原理。纵轴式悬臂掘进机通过履带式行走机构驱动整机进给和后退。当到达截割工作面后，悬臂通过升降油缸调整截割高度。截割头在行走机构和回转油缸的驱动下，分别完成竖直摆动截割、水平回转截割，依靠截割臂回转作用将旋转的截割头送到待截割的煤岩位置上，从而破碎煤岩。可以得出：1.掘进机截割动作可分为竖直摆动截割、水平回转截割。2.掘进机负载的主要来源于截割头破碎煤岩受到的截割载荷。3.掘进机在前进方向的驱动力主要来源于履带行走装置。4.掘进机截割臂在回转油缸的驱动作用下，绕回转台转动。因此，本章着眼于建立掘进机截割头、履带行走机构、截割臂模型，为研究掘进机的振动特性铺垫。2.1掘进机截割头载荷模型2.1.1掘进机截齿载荷模型目前，掘进机采用的截齿种类有镐形截齿和刀型截齿。镐形截齿在截割深度较小时，由于具有更高的截割效率，较小的煤岩破碎颗粒，在重复多次截割硬质煤岩时，取得更好的截割效果，在掘进机中取得了更广泛的应用。确定掘进机截割头载荷模型，首先应对截齿载荷进行分析。如图2.1所示为镐形截齿受力简图。图2.1镐形齿受力简图Figure2.1Thestressdiagramofpick-shapedcutter对于掘进机截齿受力，国内外无统一的计算方法。本文采用文献[44]中提出一种常用的计算截齿载荷的方法。截煤时，作用于锐利截齿上的截割阻力rZ和牵引阻力rY分别为：(0.350.3)1(0.452.3)cosPrmmdzycOTPcbZAhtkkkkkbhk(2.1)rnrYYZ(2.2)
辽宁工程技术大学硕士学位论文9图2.2截割头受力图Figure2.2Thestressdiagramofcuttinghead截割头上第i个截齿的竖直方向、水平方向、钻进方向分力依次为：cossiniiiiiaYZ(2.6)sincosiiiiibYZ(2.7)iicX(2.8)式中：iX为第i个截齿的侧向阻力，N；iY为第i个截齿的牵引阻力，N；iZ为第i个截齿的截割阻力，N；i为第i个截齿的位置角，N。掘进机截割头在竖直方向负载aR、水平方向负载bR，钻进方向负载cR分别为：11(cossin)nnaiiiiiiiRaYZ(2.9)11(sincos)nnbiiiiiiiRbYZ(2.10)11()nnciiiiRcX(2.11)2.2掘进机履带行走机构载荷模型掘进机行走机构支撑整机重量并提供行驶驱动力。后支撑机构采用液压驱动，为整机提供稳定的支撑力。分析并建立掘进机行走支撑机构模型是建立整机振动模型的前提。井下环境复杂，巷道中行驶环境复杂多变，为确保掘进机井下行驶安全可靠，目前，掘进机行走机构主要采用履带式行走机构。履带式行走机构如图2.3所示。考虑井下工作空间的限制和掘进机驱动能力，掘进机行走机构普遍采用液压驱动，动力装置结构较为紧凑。掘进机履带行走机构采用液压马达驱动，经由减速器传递动力驱动主动链轮实现整机的前后运行。动力驱动装置采用集成结构布置在掘进机履带架上。履带夹前端设有履带张紧机构，通过张紧油缸调节张紧轮位置完成对履带的张紧。
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤巷智能快速掘进技术发展现状与关键技术[J]. 张东宝. 煤炭工程. 2018(05)
[2]连续介质分析动力学及其应用[J]. 梁立孚,郭庆勇,宋海燕. 力学进展. 2019(00)
[3]掘进机电控箱悬置阻尼系统解耦及优化[J]. 孙大刚,张洋,张武鹏,张弘,段志刚,安晓瑞. 太原科技大学学报. 2018(02)
[4]基于实测振动的掘进机回转台模态识别[J]. 瞿圆媛,赵雄,尹镖竣,于涵立,张卓妮. 煤炭技术. 2018(04)
[5]我国煤矿巷道快速掘进技术与装备发展现状[J]. 王学成. 煤矿机械. 2017(06)
[6]高压水射流掘进机截割头设计[J]. 李烈. 机械设计与制造. 2017(04)
[7]基于最优小波基选取的掘进机振动信号去噪方法[J]. 李东钰,田慕琴,宋建成,鲍文亮,马昭. 工矿自动化. 2016(10)
[8]哈密顿原理求解经典路径问题的一种数值算法[J]. 黄海燕,姚秀美,朱海燕,陈亚江. 丽水学院学报. 2016(05)
[9]基于井下实测工况数据的掘进机故障诊断研究[J]. 尹同舟,杨杰,刘强,唐秀山,赵元宇,杨健健,吴淼. 煤炭工程. 2016(02)
[10]煤巷快速掘进系统的发展趋势与关键技术[J]. 张忠国. 煤炭科学技术. 2016(01)
博士论文
[1]工程机械臂系统结构动力学及特性研究[D]. 王相兵.浙江大学 2014
[2]悬臂式掘进机截割过程动态特性分析与性能预测[D]. 魏晓华.辽宁工程技术大学 2013
[3]纵轴式掘进机履带行走系统动力学研究[D]. 姚继权.辽宁工程技术大学 2012
[4]柔性多体系统建模与控制[D]. 张国庆.中国科学技术大学 2008
[5]时滞状态反馈下Duffing系统动力学研究[D]. 王怀磊.南京航空航天大学 2003
硕士论文
[1]纳米梁及板振动特性的两类尺度效应研究[D]. 钱晨飞.西南交通大学 2018
[2]考虑边界条件覆冰输电线舞动建模及多尺度法分析[D]. 李朋.重庆大学 2015
[3]EBH360悬臂式掘进机截割臂有限元分析[D]. 李洋.吉林大学 2012
[4]微倾斜悬臂梁在振动冲击载荷下的可靠性分析[D]. 李孝涛.国防科学技术大学 2010
[5]纵轴式掘进机动态模型与动态特性的研究[D]. 田晶.辽宁工程技术大学 2002
本文编号：3541399
【文章来源】：辽宁工程技术大学辽宁省
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
纵轴式悬臂掘进机Figure1.1Longitudinal-axialboom-typeroadheader
辽宁工程技术大学硕士学位论文72掘进机截割过程载荷模型建立掘进机截割过程的载荷和驱动力模型对研究纵轴悬臂式掘进机振动特性具有重要意义。为确定掘进机截割煤壁时受到的载荷和主驱动力，首先应确定掘进机的工作原理。纵轴式悬臂掘进机通过履带式行走机构驱动整机进给和后退。当到达截割工作面后，悬臂通过升降油缸调整截割高度。截割头在行走机构和回转油缸的驱动下，分别完成竖直摆动截割、水平回转截割，依靠截割臂回转作用将旋转的截割头送到待截割的煤岩位置上，从而破碎煤岩。可以得出：1.掘进机截割动作可分为竖直摆动截割、水平回转截割。2.掘进机负载的主要来源于截割头破碎煤岩受到的截割载荷。3.掘进机在前进方向的驱动力主要来源于履带行走装置。4.掘进机截割臂在回转油缸的驱动作用下，绕回转台转动。因此，本章着眼于建立掘进机截割头、履带行走机构、截割臂模型，为研究掘进机的振动特性铺垫。2.1掘进机截割头载荷模型2.1.1掘进机截齿载荷模型目前，掘进机采用的截齿种类有镐形截齿和刀型截齿。镐形截齿在截割深度较小时，由于具有更高的截割效率，较小的煤岩破碎颗粒，在重复多次截割硬质煤岩时，取得更好的截割效果，在掘进机中取得了更广泛的应用。确定掘进机截割头载荷模型，首先应对截齿载荷进行分析。如图2.1所示为镐形截齿受力简图。图2.1镐形齿受力简图Figure2.1Thestressdiagramofpick-shapedcutter对于掘进机截齿受力，国内外无统一的计算方法。本文采用文献[44]中提出一种常用的计算截齿载荷的方法。截煤时，作用于锐利截齿上的截割阻力rZ和牵引阻力rY分别为：(0.350.3)1(0.452.3)cosPrmmdzycOTPcbZAhtkkkkkbhk(2.1)rnrYYZ(2.2)
辽宁工程技术大学硕士学位论文9图2.2截割头受力图Figure2.2Thestressdiagramofcuttinghead截割头上第i个截齿的竖直方向、水平方向、钻进方向分力依次为：cossiniiiiiaYZ(2.6)sincosiiiiibYZ(2.7)iicX(2.8)式中：iX为第i个截齿的侧向阻力，N；iY为第i个截齿的牵引阻力，N；iZ为第i个截齿的截割阻力，N；i为第i个截齿的位置角，N。掘进机截割头在竖直方向负载aR、水平方向负载bR，钻进方向负载cR分别为：11(cossin)nnaiiiiiiiRaYZ(2.9)11(sincos)nnbiiiiiiiRbYZ(2.10)11()nnciiiiRcX(2.11)2.2掘进机履带行走机构载荷模型掘进机行走机构支撑整机重量并提供行驶驱动力。后支撑机构采用液压驱动，为整机提供稳定的支撑力。分析并建立掘进机行走支撑机构模型是建立整机振动模型的前提。井下环境复杂，巷道中行驶环境复杂多变，为确保掘进机井下行驶安全可靠，目前，掘进机行走机构主要采用履带式行走机构。履带式行走机构如图2.3所示。考虑井下工作空间的限制和掘进机驱动能力，掘进机行走机构普遍采用液压驱动，动力装置结构较为紧凑。掘进机履带行走机构采用液压马达驱动，经由减速器传递动力驱动主动链轮实现整机的前后运行。动力驱动装置采用集成结构布置在掘进机履带架上。履带夹前端设有履带张紧机构，通过张紧油缸调节张紧轮位置完成对履带的张紧。
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤巷智能快速掘进技术发展现状与关键技术[J]. 张东宝. 煤炭工程. 2018(05)
[2]连续介质分析动力学及其应用[J]. 梁立孚,郭庆勇,宋海燕. 力学进展. 2019(00)
[3]掘进机电控箱悬置阻尼系统解耦及优化[J]. 孙大刚,张洋,张武鹏,张弘,段志刚,安晓瑞. 太原科技大学学报. 2018(02)
[4]基于实测振动的掘进机回转台模态识别[J]. 瞿圆媛,赵雄,尹镖竣,于涵立,张卓妮. 煤炭技术. 2018(04)
[5]我国煤矿巷道快速掘进技术与装备发展现状[J]. 王学成. 煤矿机械. 2017(06)
[6]高压水射流掘进机截割头设计[J]. 李烈. 机械设计与制造. 2017(04)
[7]基于最优小波基选取的掘进机振动信号去噪方法[J]. 李东钰,田慕琴,宋建成,鲍文亮,马昭. 工矿自动化. 2016(10)
[8]哈密顿原理求解经典路径问题的一种数值算法[J]. 黄海燕,姚秀美,朱海燕,陈亚江. 丽水学院学报. 2016(05)
[9]基于井下实测工况数据的掘进机故障诊断研究[J]. 尹同舟,杨杰,刘强,唐秀山,赵元宇,杨健健,吴淼. 煤炭工程. 2016(02)
[10]煤巷快速掘进系统的发展趋势与关键技术[J]. 张忠国. 煤炭科学技术. 2016(01)
博士论文
[1]工程机械臂系统结构动力学及特性研究[D]. 王相兵.浙江大学 2014
[2]悬臂式掘进机截割过程动态特性分析与性能预测[D]. 魏晓华.辽宁工程技术大学 2013
[3]纵轴式掘进机履带行走系统动力学研究[D]. 姚继权.辽宁工程技术大学 2012
[4]柔性多体系统建模与控制[D]. 张国庆.中国科学技术大学 2008
[5]时滞状态反馈下Duffing系统动力学研究[D]. 王怀磊.南京航空航天大学 2003
硕士论文
[1]纳米梁及板振动特性的两类尺度效应研究[D]. 钱晨飞.西南交通大学 2018
[2]考虑边界条件覆冰输电线舞动建模及多尺度法分析[D]. 李朋.重庆大学 2015
[3]EBH360悬臂式掘进机截割臂有限元分析[D]. 李洋.吉林大学 2012
[4]微倾斜悬臂梁在振动冲击载荷下的可靠性分析[D]. 李孝涛.国防科学技术大学 2010
[5]纵轴式掘进机动态模型与动态特性的研究[D]. 田晶.辽宁工程技术大学 2002
本文编号：3541399
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