掘進(jìn)機(jī)截割部傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真

王國文

（山西陽煤寺家莊煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 昔陽 045300）

引言

近年來，隨著我國采煤技術(shù)及采煤設(shè)備自動化水平的不斷提升，我國煤炭產(chǎn)量急速上升。為了能夠與綜采工作面的采煤效率相匹配，掘進(jìn)工作面的掘進(jìn)速度及效果也必須相應(yīng)提高。鑒于我國煤層埋藏的特點(diǎn)[1]，加上不同的地質(zhì)、水文條件所構(gòu)成的掘進(jìn)工作面的情況相對復(fù)雜，對掘進(jìn)機(jī)的截割能力提出了更高的要求。在實際生產(chǎn)中當(dāng)掘進(jìn)機(jī)截割功率低，同時煤巖硬度較高時，掘進(jìn)機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性將會受到?jīng)_擊載荷的影響，進(jìn)而導(dǎo)致其關(guān)鍵部件造成損壞。加強(qiáng)對掘進(jìn)機(jī)截割部的動態(tài)特性分析，尤其是其傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)行學(xué)分析，為改進(jìn)其關(guān)鍵零部件提供理論基礎(chǔ)。

1 掘進(jìn)機(jī)的概述

目前，在掘進(jìn)工作面使用廣泛的掘進(jìn)機(jī)類型為懸臂式掘進(jìn)機(jī)，根據(jù)截割頭不同的布置方式可將懸臂式掘進(jìn)機(jī)分為縱軸式和橫軸式。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1 所示，懸臂式掘進(jìn)機(jī)主要由噴霧系統(tǒng)、截割部、回轉(zhuǎn)部、本體部、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、行走系統(tǒng)以及鏟運(yùn)系統(tǒng)組成[2]。

其中，截割部為掘進(jìn)機(jī)的核心部件，其主要功能是完成對掘進(jìn)機(jī)工作面的推進(jìn)，主要由截割機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)臺以及本體架組成。噴霧系統(tǒng)的主要功能是降低掘進(jìn)工作面的粉塵濃度。

本文著重對掘進(jìn)機(jī)截割部中的傳動機(jī)構(gòu)（減速器、聯(lián)軸器等）的動態(tài)特性進(jìn)行分析。

2 運(yùn)動學(xué)模型的搭建

本文基于Pro/E 軟件對掘進(jìn)機(jī)截割部的三維模型進(jìn)行搭建。為了能夠降低所搭建截割部模型的仿真時間，可不完全按照掘進(jìn)機(jī)的實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。在不影響分析結(jié)果的前提下，對掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)中的噴霧系統(tǒng)、螺栓以及密封部件等做了省略[3]。基于上述原則，本文將所建立的各部件的模型裝配后得出如圖2 所示的截割部仿真模型。

圖2 掘進(jìn)機(jī)截割部三維仿真模型

3 關(guān)鍵運(yùn)動參數(shù)的確定

3.1 回轉(zhuǎn)液壓缸運(yùn)動參數(shù)的確定

掘進(jìn)機(jī)截割部根據(jù)工作面實際情況控制截割頭上下擺動和左右擺動。其中，截割頭的上下擺動、左右擺動分別通過升降液壓缸和水平液壓缸的單獨(dú)運(yùn)動完成的。在理想工況下，掘進(jìn)機(jī)截割頭能夠在上下左右四個位置均能夠達(dá)到極限位置，會得到中間較寬、兩端較窄的的斷面形狀[4]。本文將研究掘進(jìn)機(jī)作業(yè)惡劣的工況，掘進(jìn)機(jī)截割巷道頂部、底部的煤巖時可從最右端和最左端工作。

液壓油缸的速度是影響傳動機(jī)構(gòu)動態(tài)特性的主要因素。由截割掘進(jìn)機(jī)的工作效率和掘進(jìn)工作面的關(guān)系，得出掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)液壓缸的伸出速度為2.2 mm/s。

3.2 升降液壓缸運(yùn)動參數(shù)的確定

升降液壓缸的最大伸長量驅(qū)動懸臂可使截割頭運(yùn)動至橫擺的極限位置，從而實現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)工作面頂部和頂部煤巖的截割。升降液壓缸的伸出和縮回將控制截割頭在掘進(jìn)工作面的垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。因此，選擇合適的掘進(jìn)機(jī)時常通過控制掘進(jìn)工作面高度來確定升降液壓缸的行程，作為掘進(jìn)機(jī)的選型依據(jù)之一。

為確保所選掘進(jìn)機(jī)能夠適應(yīng)復(fù)雜工況下對工作面頂部和底部煤巖的截割，通過截割XX 掘進(jìn)工作面的參數(shù)得出，升降液壓缸截割頂部時的抬升角為43°，截割底部時的下降角為23°。

4 傳動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)仿真

將本文“2”中所搭建的掘進(jìn)機(jī)三維模型導(dǎo)入ADAMS 軟件中，完成對掘進(jìn)機(jī)截割部傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)的仿真分析。

4.1 仿真參數(shù)的設(shè)置

本文所仿真分析截割部的傳動機(jī)構(gòu)為減速器，減速器為二級行星結(jié)構(gòu)，具有零件多、布置復(fù)雜的特點(diǎn)[5]。根據(jù)減速器從動輪和主動輪之間的接觸類型及形式，本文需對以下參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。仿真參數(shù)設(shè)置結(jié)果如表1 所示。

表1 傳動機(jī)構(gòu)仿真參數(shù)設(shè)置結(jié)果

4.2 運(yùn)動學(xué)仿真

掘進(jìn)機(jī)傳動機(jī)構(gòu)運(yùn)行原理：掘進(jìn)機(jī)電機(jī)提供驅(qū)動力，經(jīng)電機(jī)與減速器之間的聯(lián)軸器將驅(qū)動力傳動至減速器，經(jīng)二級減速后驅(qū)動掘進(jìn)機(jī)截割頭運(yùn)轉(zhuǎn)。一級行星機(jī)構(gòu)的傳動比為6.4，二級行星機(jī)構(gòu)的傳動比為4.318，總傳動比為27.64。

電機(jī)是掘進(jìn)機(jī)截割部的動力源，設(shè)定電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為8 820 deg/s。本掘進(jìn)機(jī)電機(jī)的控制是基于STEP 函數(shù)所實現(xiàn)的。基于STEP 函數(shù)電機(jī)轉(zhuǎn)速在啟動開始至0.3 s 后趨于穩(wěn)定。本文將著重對一級行星機(jī)構(gòu)、二級行星機(jī)構(gòu)以及截割頭的輸送轉(zhuǎn)速進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果如圖3 所示。

如圖3 所示，經(jīng)一級行星機(jī)構(gòu)減速后的輸出轉(zhuǎn)速約為1 400 deg/s，與理論轉(zhuǎn)速8 820/6.4=1 378 deg/s 相差不大，且一級行星機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速在0.3 s趨于穩(wěn)定；經(jīng)二級行星機(jī)構(gòu)減速后的輸出轉(zhuǎn)速約為320 deg/s，與理論轉(zhuǎn)速1 378/4.318=319.16 deg/s 相差不大，且也在0.3 s 后趨于穩(wěn)定。截割頭的輸出轉(zhuǎn)速與二級行星機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速及穩(wěn)定時間幾乎一致。

圖3 仿真結(jié)果

5 運(yùn)動學(xué)仿真結(jié)果

通過仿真分析可知，掘進(jìn)機(jī)截割部減速的兩級行星機(jī)構(gòu)在傳動電機(jī)驅(qū)動時不會造成動力損失，且二級行星機(jī)構(gòu)的輸出轉(zhuǎn)速與截割頭的輸出轉(zhuǎn)速相等，驗證了本掘進(jìn)機(jī)在復(fù)雜工況下的截割性能能夠滿足實際生產(chǎn)的需求，即所選型掘進(jìn)機(jī)的回轉(zhuǎn)液壓缸及升降液壓缸的運(yùn)動參數(shù)可以滿足實際生產(chǎn)需求。