采煤機滾筒輔助設計及載荷計算軟件的開發與應用

趙麗娟　胡春梅　劉旭南　朱　帥

(遼寧工程技術大學機械工程學院　遼寧 阜新 123000)

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采煤機滾筒輔助設計及載荷計算軟件的開發與應用

趙麗娟胡春梅*劉旭南朱帥

(遼寧工程技術大學機械工程學院遼寧 阜新 123000)

摘要為解決滾筒的參數化建模、切削面積和方正率的計算、切削圖、截齒排列圖、截割性能曲線圖的繪制以及采煤機動態可靠性分析載荷文本的生成等問題，采用Matlab與Excel聯合開發出采煤機滾筒輔助設計及載荷計算軟件。根據滾筒的外形尺寸、截齒和煤巖的性質、采煤工作面的賦存條件及確定的工況等相關參數，應用此軟件可設計出截割比能耗較低、切削面積較大的SL1000型采煤機工作機構。經驗證，該軟件可快速實現采煤機工作機構的設計，實現了高產、高效、低能耗的目標，縮短了采煤機滾筒的設計時間，提高了采煤機滾筒的設計能力和工作性能。

關鍵詞MATLAB采煤機切削圖截齒排列截割性能

0引言

采煤機滾筒是采煤機的工作機構，其主要工作形式是通過布置在其上的截齒對煤巖進行切削并將其剝落，消耗的功率約占總裝機功率的80%～90%，是采煤機設計的關鍵環節[1]。其設計是否合理關系到采煤機的生產率、截割比能耗、塊煤率、截齒的受力狀態等諸多方面，影響采煤機工作的可靠性[2-5]。國內外研究人員進行了大量研究， Hekimoglu對螺旋升角與滾筒截割性能之間的關系進行研究[6]，通過試驗發現滾筒切削力與螺旋升角有著顯著的聯系。Bilgin建立了22種不同抗壓強度的巖石試樣，對截割比能耗以及截齒受力進行了分析，結果表明實驗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模擬截齒的切削過程并獲得了不同幾何形狀截齒的載荷及應力狀態[8]。中國礦業大學的劉送永對采煤機運動學參數、截齒排列形式與塊煤率之間的關系也進行了大量研究[9], 找到不同錐度、合金頭直徑的截齒與塊煤率、截割轉矩之間的關系。黑龍江科技大學的劉春生分析鎬齒安裝角對其受力和截煤影響的基礎上,推導出煤巖屬性、截齒參數與安裝角之間的定量關系[10]。這些方法都很好地針對某一個或幾個設計變量研究了截齒性能、可靠性及其對滾筒性能的影響，而本文綜合考慮這些參數對采煤機工作機構性能的影響，開發了采煤機滾筒輔助設計及載荷計算軟件，對提高采煤機工作機構的設計效率，降低采煤機開發成本，提高其工作性能具有重要意義。

1采煤機滾筒輔助設計及載荷計算軟件開發

采煤機滾筒輔助設計及載荷計算軟件包括Excel和Matlab兩部分[11,12]。Excel實現了參數輸入、結果顯示、輔助計算等功能； Matlab編寫的主程序既能調用Excel中的參數，又能將計算結果顯示在Excel中。該軟件具有如下特點：

(1) 在Excel中輸入、顯示參數，直觀、易于設計人員使用；

(2) 軟件可獲得截齒排列圖、切削圖以及力、力矩、電機功率曲線圖，并將重要數據返回Excel表格，通過對比并修改Excel表格中的參數可快速實現滾筒的優化設計；

(3) Excel表格中的截齒排列參數可實現滾筒在PRO/E中的族表參數化建模，避免了截齒干涉；

(4) 軟件還可以生成txt載荷文本，為采煤機動態可靠性研究提供載荷曲線；

(5) 實用性強，降低了對使用人員的要求，應用該軟件只要略有采煤機設計知識即可開發出性能優良的采煤機工作機構。

1.1程序總體結構

采煤機滾筒輔助設計及載荷計算軟件實現從Excel表格中錄入基本參數，由Matlab進行計算，并將結果返回Excel表格并生成Fig圖像及txt文本的過程，其主要結構如圖1所示。

圖1　程序結構框圖

1.2程序界面

Excel表格包括Sheet1和Sheet2。其中Sheet1用于輸入采煤機重要幾何參數、相關運動參數，在計算完成后返回截齒排列參數，如表1所示。Sheet2用于輸入煤、巖石、包裹體等物理力學參數、截齒的幾何參數、采煤機仿真時間及步長等參數，在計算完成后返回包括力學、功率、截割比能耗、切削面積、方正率等反映采煤機截割性能的參數，并得到相應參數的最大、最小、平均值以及方差和波動系數等，如表2所示。 Matlab不僅可以反饋給Excel必要的參數，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，同時還為采煤機動力學仿真提供txt載荷文本。

表1　截齒排列計算部分的表格

續表1

表2　截割性能計算部分表格

續表2

1.3基于Matlab的程序設計

根據圖1的基本思想，采用Matlab將整個程序分成三個組成部分進行編譯，即：截齒排列部分、截割性能計算部分及切削圖生成部分。

1.3.1截齒排列部分

通過采煤機幾何及運動學參數，計算出截齒排列參數、生成截齒排列圖并為滾筒截割性能計算提供必要的參數，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中讀取采煤機重要幾何參數、相關運動參數，通過式(1)計算出截線距：

tj=2h·tanφ

(1)

式中，φ為崩落角；h為切削厚度。程序為葉片的布齒提供等差和等距兩種方案。采用等距原則時，通過式(2)便可計算出葉片段的截線條數：

(2)

采用等差原則時，則通過式(3)計算葉片段的截線條數：

(3)

式中，?」為向下取整；Lg為葉片段長度，Lw為第1把截齒到滾筒采空區側端面的距離；d為公差。限定葉片頭數、旋向及排列方式，通過截線距及截線條數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側端面的距離；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。

常見端盤結構有平端盤和蝶形端盤兩種，平端盤截割時端面與煤壁間幾乎沒有落煤空間，二者摩擦劇烈，易造成端面磨損，故推薦蝶形端盤，其傾角一般大于15°，從而形成一定的落煤空間。端盤的工作條件較為惡劣，其安裝的截齒數量多、密度大，應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生干涉[13]。根據式(5) 、式(6)確定端盤截齒總數Wd及截線總數Nd。

(5)

(6)

圖3　端盤上的截齒

式中，Dy為螺旋葉片直徑；L1為端盤上齒座長度；L2為噴嘴座及其兩側間隙長度之和；N為葉片頭數。由于端盤寬度較小，一般可布置5～9條截線，當Nd不在該范圍時，可調整L2的值來滿足要求。端盤上的截齒安裝如圖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為端盤截齒的軸向傾角；L3為端盤截齒齒尖到齒座回轉中心距離；L4為端盤外緣到非采空區側滾筒端面的距離。

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

1.3.2截割性能計算部分

截割性能計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，通過力、力矩轉化原理將所有力轉化到滾筒質心處形成三向力、三向力矩。生成的載荷曲線文本可通過運動學及動力學仿真軟件直接讀入模型中，為采煤機動態可靠性研究提供量化依據，其程序流程如圖4所示。

圖4　截割性能計算程序流程圖

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切削形狀計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及截割性能計算部分的S2P1的參數導入切削圖生成部分。整個切削圖的繪制由一個循環語句控制，對于任意一次截割均需要確定截齒的截割點以及上、下崩落線，在進行一次循環后，次數變成第i+1次，直至達到總循環次數S跳出循環體，繪制出最終的切削圖，當用戶不滿意時可根據需要對S2O1及S1O1的參數進行修改，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　上下交點的確定

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

1.3.3.1上交點的確定

第i+1條截線上的截齒P(i+1,j)(下標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，當采煤機牽引水平CD長度時，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，交點為A (上交點)。兩條截線上截齒的崩落角均為φ，截點C、D為已知點，其坐標分別為(xC，yC)，(xD，yD)，假設交點A坐標(x，y)，BC上任意一點M坐標(x1，y1)，AD上任意一點N坐標(x2，y2)。

則BC直線方程：

(9)

AD直線方程：

(10)

當點M、N為同一點，即為點A時，聯立式(9)、式(10)即可得到點A的坐標：

(11)

(12)

1.3.3.2下交點的確定

第i-1條截線上的截齒P(i-1,j-1)在截割時留下截槽(如圖6中虛線)，當采煤機牽引水平BD 長度時，第i條和第i-1條截線上的截齒P(i,j)、P(i-1,j)便會留下新的截槽(如圖6中實線所示)。此時，第i條截線上截齒的下崩落線便會與第i-1條截線的上崩落線相交，交點記為E (下交點)，下交點的確定方式與上交點一致，可得到點E的坐標：

(13)

(14)

在求得截割點及上下交點后，便可繪制上下崩落線，在程序運算結束后，便可形成在仿真時間t內的切削圖，同時根據截割點及上下交點的位置以及崩落角便可計算出切削面積及方正率，并返回給Sheet2，通過這兩項指標可以較好地了解采煤機的塊煤率，結合截割功率及截割比能耗能夠較全面地了解采煤機的切削性能。

2采煤機滾筒輔助設計及載荷計算軟件的應用

某公司開發的采煤機滾筒就采用了該軟件，基于滾筒外形尺寸、截齒和煤巖性質等相關參數，通過分析各設計參數對采煤機滾筒截割性能的影響，找到了最適合于該型(SL1000型)采煤機滾筒的設計方案，即選取4頭葉片，截齒采用順序式排列方式，滾筒轉速為30.2r/min，當牽引速度為9m/min、截割堅固性系數為3.11的韌性煤時，能保證電機消耗功率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，基于“采煤機滾筒輔助設計及載荷計算軟件”設計的采煤機工作機構實體模型，其截齒排布均勻、結構合理，消除了截齒干涉的可能；生成的切削圖塊度及方正率較大；滾筒所受載荷波動較小，可有效降低截齒失效、機器振動所造成的經濟損失，提高采煤機工作機構的動態可靠性和工作穩定性。

圖7　截齒排列

圖8　Pro/E三維實體模型

圖9　截割性能曲線

圖10　滾筒葉片切削圖

應用該軟件設計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、結構合理、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，提高了截割效率及滾筒的使用壽命，實現了高產、高效、低能耗的目標，縮短了采煤機滾筒的設計時間，提高了采煤機滾筒的設計能力。

3結語

(1) 開發了“采煤機滾筒輔助設計及載荷計算軟件”， 可生成基于實際工況的截齒排列圖、力、力矩、功率曲線以及切削圖，同時還可為采煤機動態可靠性研究提供txt載荷文本。

(2) 應用該軟件設計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、結構合理、各截齒受載均衡，實現高產、高效、低能耗的目標，縮短了采煤機滾筒的設計時間，提高了采煤機滾筒的設計能力。

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

參考文獻

[1] 崔新霞,杜長龍.薄煤層采煤機新型截割部及其動態仿真[J].礦山機械,2011,39(11):1-3.

[2] 趙麗娟,馬聯偉.薄煤層采煤機可靠性分析與疲勞壽命預測[J].煤炭學報,2013,38(7):1287-1292.

[3] 趙麗娟,何景強,許軍,等.截齒排列方式對薄煤層采煤機載荷的影響[J].煤炭學報,2011,36(8):1401-1406.

[4] 馬正蘭.變速截割采煤機關鍵技術研究[D].北京:中國礦業大學,2009.

[5] 楊健健.采煤機工作狀態參數與煤巖硬度影響關系研究[D].北京:中國礦業大學,2013.

[6] Hekimoglu O Z,Ozdemir L.Effect of angle of wrap on cutting performance of drum shearers and continuous miners[J].Transactions of the Institutions of Mining and Metallurgy,2004,113(2):118-122.

[7] Bilgin N,Demircin M A,Copur H,et al.Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2006,43(1):139-156.

[8] Mikl M J,Tichy R,Ecker W.Development and testing of a technique for the simulation of the rock cutting process[C]//South Africa:Proceedings of the 5th International Conference on Structural Engineering,Mechanics and Computation,2013:505-510.

[9] 劉送永,杜長龍,崔新霞,等.不同齒身錐度和合金頭直徑截齒的截割試驗[J].煤炭學報,2009,34(9):1276-1280.

[10] 劉春生.采煤機鎬型截齒安裝角的研究[J].遼寧工程技術大學學報:自然科學版,2002,21(5):661-663.

[11] 柴敬安,廖克儉,潘德輝,等.Labview和Matlab混合編程方法的研究與實現[J].計算機測量與控制,2008,16(5):737-740.

[12] 嚴大考,李猛,郭朋彥,等.基于Matlab的智能車軟件系統設計與仿真[J].計算機應用與軟件,2014,31(1):256-259.

[13] 劉春生,于信偉,任昌玉.滾筒式采煤機工作機構[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社,2010.

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TP3

文獻標識碼A

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

收稿日期：2014-07-16。中國煤炭工業科技計劃項目(MTKJ2009-264)。趙麗娟，教授，主研領域：復雜機電系統的建模與仿真，數字制造技術與信息化，機電液系統的仿真與應用，機械系統動力學分析與控制。胡春梅，碩士生。劉旭南，博士。朱帥，碩士生。