連續(xù)采煤機(jī)截割滾筒的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

張雁珺

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭煤焦有限責(zé)任公司， 山西 臨汾 042199）

引言

在采煤過(guò)程中，連續(xù)采煤機(jī)發(fā)揮著很大的作用。在采煤機(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，最重要的部件就是截割滾筒。截割滾筒是采煤機(jī)消耗功率最大的一部分，煤礦的質(zhì)量與截割滾筒的運(yùn)動(dòng)參數(shù)有著很大的關(guān)系。所以，在對(duì)連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要著重設(shè)計(jì)截割滾筒這一部分。

1 連續(xù)采煤機(jī)中截割滾筒的運(yùn)動(dòng)方式

連續(xù)采煤機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式和普通的單滾筒采煤機(jī)、雙滾筒采煤機(jī)都存在著不同之處，其有著自身獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)方式。比如說(shuō)：在對(duì)煤壁進(jìn)行切割的過(guò)程中，連續(xù)采煤機(jī)的運(yùn)行方式是機(jī)器行走，其方向是工作面，然后抬起截割滾筒的懸壁，等到割頭已經(jīng)走到工作面的頂部時(shí)機(jī)器停下，讓截割的懸臂進(jìn)行擺動(dòng)，這里要注意的是擺動(dòng)的方向是自上而下的。然后讓機(jī)器截割到煤壁的底板平面后，機(jī)器向后退一個(gè)截深，最后將底板修理平整。這樣就完成了截割滾筒的一次工作。在截割滾筒的每一次工作任務(wù)過(guò)程中，截割滾筒完成的運(yùn)動(dòng)里都要有水平性的移動(dòng)。其會(huì)繞著自己的軸線進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)，并且其繞懸壁交接點(diǎn)還會(huì)繞著自己的軸線進(jìn)行擺動(dòng)。其原點(diǎn)就是采煤機(jī)的機(jī)身與截割懸臂的鉸接點(diǎn)，然后以行進(jìn)方向?yàn)閤軸，y軸就是鉛直的方向，以此來(lái)建立坐標(biāo)系。所以，采煤機(jī)的滾筒進(jìn)行截割運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)的形式如圖1所示。

2 截齒運(yùn)動(dòng)的理論模型

2.1 截齒運(yùn)動(dòng)形式的軌跡

圖1 連續(xù)采煤機(jī)滾筒的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

截齒運(yùn)動(dòng)方式的復(fù)雜性是由截割滾筒的復(fù)雜性決定的。比如說(shuō)，在對(duì)截齒坐標(biāo)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，將xi、yi設(shè)為滾筒上第i個(gè)截齒的坐標(biāo)。把v設(shè)為連續(xù)采煤機(jī)的移動(dòng)速度，把ω1設(shè)為滾筒的角速度，把L設(shè)為截割懸臂的長(zhǎng)度，把ω2設(shè)為連續(xù)采煤機(jī)擺動(dòng)的角速度，截深則設(shè)為B，把截齒水平運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)設(shè)為x0、y0。由此可以求出連續(xù)采煤機(jī)懸臂滾筒的齒輪運(yùn)動(dòng)的方程式如式（1）所示。

當(dāng)截齒擺動(dòng)時(shí)的初始坐標(biāo)設(shè)為x0'和y0'時(shí)，則懸臂滾筒擺動(dòng)的過(guò)程中，截齒運(yùn)動(dòng)的方程式如式（2）所示。

2.2 截齒的速度模型公式

在對(duì)截齒運(yùn)動(dòng)的軌跡方程求導(dǎo)數(shù)時(shí)，在任何的時(shí)刻得出的速度方程如式（3）所示。

而這時(shí)，截齒水平運(yùn)動(dòng)的速度則如式（4）所示。

在對(duì)每一時(shí)刻截齒水平運(yùn)動(dòng)的方程求解時(shí)，求出的速度方程式如式（5）所示。

這時(shí)，截齒擺動(dòng)的速度公式如式（6）所示。

速度的方向則如式（7）所示。

2.3 在截割滾筒中截齒的加速度模型

在對(duì)任意時(shí)刻的截齒運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行解答時(shí)，得出的加速度方程如式（8）所示。

這時(shí)，截齒的加速度的大小如式（9）所示。

在任意的時(shí)刻截齒運(yùn)動(dòng)的軌跡求得的二階導(dǎo)數(shù)的加速度方程式則如式（10）所示。

加速度的方向則如式11所示。

3 對(duì)于截齒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)例分析

滾輪的截齒有多種不同的類型，本文以一個(gè)進(jìn)口連續(xù)采煤機(jī)為例題，對(duì)其中的截齒進(jìn)行分析[1]。

3.1 連續(xù)采煤機(jī)中截齒的運(yùn)動(dòng)軌跡

如圖2所示就是連續(xù)采煤機(jī)中截齒的運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖中我們可以看出，水平的螺旋線就是滾筒在水平運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的軌跡，擺動(dòng)的螺旋線就是懸臂擺動(dòng)時(shí)截齒運(yùn)動(dòng)的軌跡。我們通過(guò)對(duì)截齒運(yùn)動(dòng)軌跡的分析，可以知道截齒與截齒間位置的大致關(guān)系，還可以為截齒切削圖的繪制和截齒的排列順序與截齒截割路程的計(jì)算提供相應(yīng)的理論依據(jù)[2]。

圖2 截齒的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

3.2 截齒加速度與速度的仿真研究

在連續(xù)采煤機(jī)中，影響截齒速度的原因有很多，主要的原因有滾筒的直徑與轉(zhuǎn)速、截割的傳動(dòng)比還有懸臂的擺動(dòng)速度這三個(gè)方面。二截齒的速度對(duì)采煤機(jī)的工作效率有直接的影響。也是采煤機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)之一。如圖3所示為滾筒移動(dòng)和懸臂運(yùn)動(dòng)時(shí)的仿真圖[3]。而滾筒在前進(jìn)時(shí)的動(dòng)作則是造成切割變化的主要原因。在懸臂擺動(dòng)的過(guò)程中，滾筒也在不斷的運(yùn)動(dòng)。這也就會(huì)使懸臂的距離發(fā)生變化。如圖4所示，可以看出懸臂擺動(dòng)時(shí)，加速度也會(huì)發(fā)生變化，并且會(huì)隨著滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)速度的變化而變化。滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)的速度越快，懸臂的擺速也會(huì)越快。所以，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以加大截齒的擺速，從而增加截齒的壽命。用這樣的方法，控制截齒的載荷，從而提高截齒的厚度，使其獲得更長(zhǎng)的壽命[4]。

圖3 截齒運(yùn)動(dòng)速度仿真

圖4 截齒加速度仿真

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于連續(xù)采煤機(jī)來(lái)說(shuō)，影響截割滾筒的因素有很多，最主要的因素就是懸臂的擺速和滾筒的轉(zhuǎn)速。所以在對(duì)截割滾筒的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)選擇最合適的滾筒轉(zhuǎn)速和懸臂擺速以提高滾筒效率，為滾筒的性能提高科學(xué)有效的方法。

[1] 曹艷麗，李曉豁，鄧喜平，等.連續(xù)采煤機(jī)截割部力學(xué)性能[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（3）：301-304.

[2] 高愛(ài)紅.連續(xù)采煤機(jī)補(bǔ)償凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（11）：228-230.

[3] 張歡.連續(xù)采煤機(jī)補(bǔ)償凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].煤礦機(jī)械，2014，35（9）：133-135.

[4] 陳曉飛,李彥強(qiáng),韓芳.基于混沌粒子群算法的采煤機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2012，33（10）：23-25.