【摘要】：EBH300A懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)是根據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)(北京)、中煤能源、冀中能源聯(lián)合承擔(dān)的“煤礦井下采掘裝備遙控關(guān)鍵技術(shù)”國家高技術(shù)項(xiàng)目“863”計(jì)劃下設(shè)2個課題中的課題一:“掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)及檢測系統(tǒng)(課題編號2008AA062201)”要求,由石家莊煤礦機(jī)械公司研制的煤礦巷道煤巖掘進(jìn)機(jī)。懸臂式掘進(jìn)機(jī)是煤礦長臂工作面開采巷道掘進(jìn)的主要裝備,分為縱軸式和橫軸式兩種類型。與現(xiàn)用于山體和地下交通隧道開拓用盾構(gòu)式掘進(jìn)機(jī)有所不同,盾構(gòu)式掘進(jìn)機(jī)采用多組盤形刀具切削巖土隧道,具有切削較硬的巖石的能力,如歐洲用于穿越阿爾卑斯山的大型隧道盾構(gòu)機(jī);而懸臂式掘進(jìn)機(jī)采用旋轉(zhuǎn)滾筒上固定安裝的諸多截齒截割煤或半煤巖,適用于煤礦井下煤巷或軟巖巷道掘進(jìn)。由于煤礦井下復(fù)雜多變的地質(zhì)條件是大自然形成的,在臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行煤礦煤巷或軟巖巷道掘進(jìn)過程中常會遇到較硬的煤巖,此時,臂式掘進(jìn)機(jī)會遭遇截割硬巖的沖擊載荷,截齒的強(qiáng)度及耐磨性、截割部的抗沖擊振動性能變得非常重要,因而成為懸臂式掘進(jìn)機(jī)研究開發(fā)的熱點(diǎn)及技術(shù)關(guān)鍵。目前研究煤礦井下巷道盾構(gòu)機(jī)也在進(jìn)行中,但由于煤礦井下巷道比鐵路隧道狹小曲折,不適于大型裝備,而體積質(zhì)量小的盾構(gòu)機(jī)難以承受切割硬巖的沖擊振動。臂式掘進(jìn)機(jī)在今后相當(dāng)長時期仍是煤礦井下半煤巖巷道掘進(jìn)不可替代的主力裝備,而對于堅(jiān)硬的巖巷掘進(jìn),爆破、裝巖是唯一的選擇。針對懸臂式掘進(jìn)機(jī)研究開發(fā)的熱點(diǎn)及技術(shù)關(guān)鍵問題,本文對EBH300A懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)截割部的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進(jìn)行深入研究。由于掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)工作過程中截割部在不斷改變位置和姿態(tài),驅(qū)使截割頭做上、下、左、右方向的連續(xù)運(yùn)動,從而截割出要求的巷道斷面。截割部位姿改變使掘進(jìn)機(jī)整體位姿也發(fā)生了變化,因此,截割部及掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)工作過程中受力狀態(tài)及結(jié)構(gòu)動態(tài)特性變化很大,直接影響截割煤巖的能力和效率。本文通過對掘進(jìn)機(jī)及截割部的位姿、運(yùn)動特性及結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的研究,揭示掘進(jìn)機(jī)截割部在工作過程中的結(jié)構(gòu)運(yùn)動、結(jié)構(gòu)振型動特性規(guī)律,為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高承載能力及強(qiáng)度、狀態(tài)監(jiān)測及開發(fā)出性能更優(yōu)的掘進(jìn)機(jī)提供基礎(chǔ)依據(jù)。本論文工作特色為:(1)科學(xué)研究與工程技術(shù)難題相結(jié)合,針對掘進(jìn)機(jī)截割部在煤礦井下煤巖掘進(jìn)工作中面臨的問題,通過掘進(jìn)機(jī)截割部有限元動態(tài)特性分析,將掘進(jìn)機(jī)截割部的工程技術(shù)問題概括為定量的精確的科學(xué)問題研究。(2)將掘進(jìn)機(jī)截割部理論研究與工程實(shí)踐中應(yīng)用掘進(jìn)機(jī)截割部的實(shí)際工作條件相結(jié)合,使之符合煤礦生產(chǎn)實(shí)際。對掘進(jìn)機(jī)截割部理論分析及數(shù)值計(jì)算與生產(chǎn)實(shí)踐工程相結(jié)合,使研究結(jié)果更接近工程實(shí)際。在綜合煤礦巷道掘進(jìn)機(jī)研究成果的基礎(chǔ)上,應(yīng)用機(jī)器理論與機(jī)構(gòu)學(xué)知識結(jié)合機(jī)械動力學(xué)分析軟件和結(jié)構(gòu)分析有限元軟件,對ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動學(xué)及結(jié)構(gòu)動態(tài)特性進(jìn)行了大量計(jì)算和系統(tǒng)分析,詳細(xì)研究了該掘進(jìn)機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律及截割部結(jié)構(gòu)振動模態(tài)。完成的主要工作及取得的成果如下:1.建立了ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型,該實(shí)體模型包括截割部、裝載部、機(jī)身及轉(zhuǎn)臺、支撐部、行走部及其包所屬裝配零部件。為該類型掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)一步研發(fā)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)模型數(shù)據(jù)。2.構(gòu)建了ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)虛擬樣機(jī),根據(jù)工程設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用功能實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)按給定的操作輸入及輸出運(yùn)動。為該掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動及動力學(xué)分析和數(shù)值計(jì)算模擬奠定了基礎(chǔ)。3.建立了ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動位姿的數(shù)學(xué)模型,提出運(yùn)動位移方程式。該模型方程表示了掘進(jìn)機(jī)在巷道開拓截割煤巖過程中,掘進(jìn)機(jī)的位置和姿態(tài)在工作中是在三維空間內(nèi)動態(tài)變化的,截割頭的位置和運(yùn)動決定了截割巷道的的形狀、尺寸及空間位置,而截割頭的位置是由掘進(jìn)機(jī)的位置和姿態(tài)決定的。4.應(yīng)用機(jī)械動力學(xué)分析軟件完成了ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動位移、速度及加速度分析計(jì)算;綜合分析影響截割頭的位置和運(yùn)動的截割臂、轉(zhuǎn)臺、鏟板、后支撐機(jī)構(gòu)的運(yùn)動位置、速度、加速度,揭示其中的規(guī)律。為ebh300a懸臂式掘進(jìn)機(jī)遙控與監(jiān)測技術(shù)及設(shè)計(jì)開發(fā)提供依據(jù)。5.建立了ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型,為解決這一大型復(fù)雜裝配結(jié)構(gòu)分析難題,對截割部、轉(zhuǎn)臺、機(jī)身、鏟板、后支撐等完成了大量細(xì)致的前處理工作。本模型是在proe三維實(shí)體裝配模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合ansys的建模功能,將原模型進(jìn)行細(xì)化處理,采用六面體和四面體混合建模的方法,從而有效的控制了網(wǎng)格總數(shù)量在計(jì)算機(jī)能處理的范圍內(nèi);對于關(guān)鍵部位進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化,非關(guān)鍵部位進(jìn)行了簡化處理;對于裝配零件之間采用了添加接觸的方式建立聯(lián)系,這比直接利用網(wǎng)格相連的方法能更好的模擬實(shí)際工況。對于掘進(jìn)機(jī)的重點(diǎn)截割部,網(wǎng)格的密集度要高于其它部位,此處的接觸關(guān)聯(lián)采用的都是非線性接觸,保證高的計(jì)算精度及符合工程實(shí)際。建立掘進(jìn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的有限元分析模型以工程圖為依據(jù),能夠真實(shí)反映實(shí)際掘進(jìn)機(jī)截割部關(guān)鍵區(qū)域的情況,同時科學(xué)簡化對結(jié)構(gòu)振動冗余的部分,減少網(wǎng)格數(shù)量,避免運(yùn)算量過大而求解不收斂。6.對ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動模態(tài)求解計(jì)算,分析了截割部十階低頻模態(tài)及特性。研究發(fā)現(xiàn),該掘進(jìn)機(jī)整體最低的前十階頻率分別為:第一、二階頻率分別是0.096hz和0.333hz;第五、六階頻率分別是2.336hz和11.98hz;第九、十階頻率分別是15.49hz和17.28hz;第三、四、七、八階模態(tài)振幅較小。通過對截割部截割臂與伸縮筒接觸裝配結(jié)構(gòu)模態(tài)、不同頻率及振型的振幅計(jì)算分析,揭示了實(shí)際工作過程中在截割煤巖沖擊力作用下截割部將發(fā)生不同形態(tài)的振動,由此產(chǎn)生的截割臂與伸縮筒不均勻接觸,可能造成潤滑不良、發(fā)生磨損。7.在“863”項(xiàng)目研制的樣機(jī)上進(jìn)行了振動測試,獲取切割頭以及搖臂結(jié)構(gòu)的振動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過對實(shí)測數(shù)據(jù)頻譜分析和傅立葉積分得到幅頻特性和測點(diǎn)振動速度及位移曲線。為研究橫軸式掘進(jìn)機(jī)切割頭以及搖臂結(jié)構(gòu)的振動特性、分析振動模態(tài)提供參考依據(jù)。創(chuàng)新點(diǎn):1.建立的ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動位姿的數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動位移方程表示了掘進(jìn)機(jī)在巷道開拓截割煤巖過程中位置和姿態(tài)在三維空間內(nèi)動態(tài)變化與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,反映了截割頭位置和運(yùn)動與截割巷道的形狀、尺寸及空間位置的關(guān)系。2.應(yīng)用機(jī)械動力學(xué)分析軟件完成了ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)臺、截割臂及截割頭位移、速度、加速度及其產(chǎn)生慣性力的分析計(jì)算,揭示了機(jī)構(gòu)運(yùn)動變化規(guī)律,為ebh300a懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)遙控與監(jiān)測技術(shù)及設(shè)計(jì)開發(fā)提供依據(jù)。3.建立了ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型和有限元結(jié)構(gòu)振動模態(tài)分析模型,分別對掘進(jìn)機(jī)整體和截割部完成了結(jié)構(gòu)振動模態(tài)有限元求解,得出各階模態(tài)振型數(shù)據(jù)及云圖,分析了主要影響該掘進(jìn)機(jī)動態(tài)性能的低階頻率振型變化規(guī)律。為研究這種大型重載荷掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)的截割硬煤巖及抗振能力奠定基礎(chǔ)。4.在“863”項(xiàng)目研制的樣機(jī)上進(jìn)行截割部振動測試,獲取切割頭以及搖臂結(jié)構(gòu)的振動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),通過對實(shí)測數(shù)據(jù)頻譜分析和傅立葉積分得到幅頻特性和測點(diǎn)振動速度及位移曲線。綜合研究成果得出結(jié)論如下:1.建立的ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)三維實(shí)體模型及虛擬樣機(jī)正確,充分體現(xiàn)了實(shí)際掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)特征及運(yùn)動特征,可作為ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)研究、設(shè)計(jì)及開發(fā)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。2.建立的ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動位姿的數(shù)學(xué)模型及運(yùn)動位移方程表示了掘進(jìn)機(jī)在巷道開拓截割煤巖過程中位置和姿態(tài)在三維空間內(nèi)動態(tài)變化與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,反映了截割頭位置和運(yùn)動與截割巷道的形狀、尺寸及空間位置的關(guān)系。3.應(yīng)用機(jī)械動力學(xué)分析軟件完成的ebh300a型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)轉(zhuǎn)臺、截割臂及截割頭位移、速度及加速度的分析計(jì)算揭示了機(jī)構(gòu)運(yùn)動規(guī)律,可以作為ebh300a懸臂式掘進(jìn)機(jī)遙控與監(jiān)測技術(shù)及設(shè)計(jì)開發(fā)的依據(jù)。4.對EBH300A型懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了振動模態(tài)求解計(jì)算,分析了截割部十階低頻模態(tài)及特性。5.在“863”項(xiàng)目研制的樣機(jī)上進(jìn)行的振動測試,獲取切割頭以及搖臂結(jié)構(gòu)的振動實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是由安置在測點(diǎn)上的加速度傳感器輸出信號獲取的,該實(shí)側(cè)信號與加速度傳感器安裝位置、方向及與掘進(jìn)機(jī)測點(diǎn)接觸情況有關(guān),同時傳感器及測試系統(tǒng)的誤差對信號也有不同程度的影響,故測試數(shù)據(jù)是實(shí)際情況多因素綜合作用結(jié)果。在本論文工作進(jìn)行過程中,EBH300A懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)的研制開發(fā)工作及煤礦井下工業(yè)性試驗(yàn)同期進(jìn)行。在多家大型礦業(yè)集團(tuán)進(jìn)行了應(yīng)用,如新汶礦業(yè)集團(tuán)新巨龍礦、開灤集團(tuán)錢家營煤礦、黑龍江龍煤礦業(yè)集團(tuán)峻德礦、新汶礦業(yè)集團(tuán)華恒礦等等。井下實(shí)踐證明,EBH300A巖石掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)井下巖石硬度f12以內(nèi)的巖石巷道掘進(jìn)工作,近幾年內(nèi)制造完成的該型號掘進(jìn)機(jī)在多個煤礦巷道掘進(jìn)中成功應(yīng)用。通過大量系統(tǒng)的研究工作,作者取得了一些有意義的成果。對EBH300A懸臂式橫軸掘進(jìn)機(jī)整體及截割部深入分析結(jié)構(gòu)動態(tài)特性國內(nèi)外鮮有涉及,仍有很多問題有待深入探索研究。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD421.5

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2523401