截割系统范文

截割系统范文（精选7篇）

截割系统 第1篇

1 采煤机记忆截割的工作原理

采煤机的记忆截割是传感器技术和计算机技术发展的产物, 是基于智能化操控系统的控制策略。其工作原理是在示范模式下, 采煤机在司机的控制下根据采煤工作面煤层的高低起伏条件截割一刀的操作。智能化控制系统实现了对采煤机运行工作的行程位置、滚筒的高度位置、采煤机的运行姿态和牵引方向速度等信息数据的记录和分析, 能找出最优的截割路径, 然后启动记忆截割模式。采煤机的工作系统在智能系统的控制下自动跟踪第一刀的截割路径, 实现了截割过程的自动化。但在煤层条件出现较大变化时, 自动控制系统会发出告知信息, 需要采煤机司机手动控制采煤。在这种情况下, 控制系统会自动记忆调整过的工作参数, 替换之前存储的数据, 为以后切割时滚筒的调高提供数据依据。这种工作方法是可以采取人工干预的自动化操作方式, 司机可以及时调整滚筒的位置, 并不受采煤机记忆数据和运行状态的限制。

2 采煤机记忆截割控制的实现

2.1 采煤机的工作流程

采煤机在正常工作中, 需要沿着托板运输机导轨既定的方向行进, 机械设备的左右摇臂只能在机身平面的相对范围内转动。采煤机在行进时, 由于自身的速度会产生一定的加速度, 所以需要准确掌握采煤机的精确位置、左右摇臂与机身的夹角角度、采煤机的行走速度和加速度的数值。这样就可以复现采煤机工作运行的过程和司机的截割操作等, 为记忆截割控制系统的有效工作提供保障。

2.2 采煤机记忆截割控制策略

采煤机的滚筒在实际的切割工作中由于牵引速度、煤层品质和切割深度的不同, 导致对象模型参数出现较大的非线性即时变性, 不能依靠简单的几何计算和数学解析模型实现对采煤机的精确控制, 但经验丰富的司机可以利用机械的操作记忆曲线采取适当的调高控制措施。因此, 采煤机记忆截割技术的重要控制策略是将人工熟练的技术应用到自动截割流程中去。

2.3 记忆截割控制系统的硬件设计

采煤记忆截割试验台由检测系统、控制系统和执行机构三部分构成。其中, 系统的检测模块由三轴加速度传感器、旋转编码器、单周陀螺仪、左右摇臂角度传感器和采集卡组成, 其有效运行依靠传感器捕捉的信号实现对采煤机空间姿态的有效判断, 数据信息在控制器的分析、比对后被发送至执行机构, 从而实现对操作行为的有效控制。根据采煤机的工作原理, 我们为试验台设置了自动控制和手动控制操作功能。手动控制是自动控制的配合和补充, 由司机利用键盘或按钮实现对采煤机试验台的左右牵引和滚筒上下调高的控制。手动控制中, 不同功能的控制按钮可以控制系统不同的执行部件。通过采集卡的数字口, 输出经放大器放大后的驱动继电器, 实现机械设备的左右摇臂升降、左右牵引和停止等操作。

PLC作为可编程逻辑控制器, 是采用可编程的存储器对逻辑运算、顺序控制、定时等指令进行存储和分析, 并通过模拟式输入和输出或数字控制方式指挥机械设备行进的生产过程。PLC控制器是大型机械设备常用的执行控制器, 但由于其体系结构的封闭性, 各厂家的硬件体系互不兼容, 需要在采煤机机械中安装与其对应的元件。

2.4 控制系统中记忆数据的存储

在记忆截割的设计过程中, 最关键的问题是存储记忆数据。首先要确保数据的及时性和准确性, 为后期的处理提供真实、可靠的信息源。在存储记忆数据时, 既可以利用文件或文档类存储的方式将需要保存的数据按顺序存储在文件中, 在需要时调用该文件, 还可以在硬件资源配置完备的情况下, 在程序中建立一个静态存储表, 当程序运行时, 直接读写数据, 而操作结束后, 数据可以重新发送回Flash中, 防止掉电或系统误操作等造成的数据丢失。

2.5 记忆截割中采煤机位置的确定

在采煤机的记忆截割过程中, 要基于机械设备的位置和工作过程设计程序, 利用可靠的传感器、定位器等检测和记录位置信息。由于采煤机本身有一定的长度, 且自身的长度比行走距离的精度要求值要大很多, 因此不能将机械设备作为一个质点来确定采煤机的位置, 而要选择采煤机中的左牵引电机作为测量点。采煤机的位置通过多种软硬件协助检测的方式实现精准测定, 通过牵引电机同轴编码器测得的实时转速或变频器控制单元测量的牵引电机的转速来计算当前位置, 保证在一种检测方式失效时采煤机能继续正常工作。在采煤机牵引中, 由于机械原因会形成累积误差, 因此要在支架上安装具有位置修正功能的位置同步器, 以保证测量位置的可信度。

3 结束语

经过大量的常规工作实验和智能系统的分析, 采煤机记忆截割控制实现了系统的宏观设计和逐层功能的搭建, 形成了简单易行的记忆截割策略, 对采煤系统的优化设计和多余功能模块的删减等具有重要作用, 充分保障了系统性能的稳定、可靠, 有助于提高矿山作业的安全性, 降低生产成本和劳动强度, 推动我国煤炭机械朝着自动化、智能化的方向发展, 为安全、高效的采煤机综采面的设计打下了良好的基础。

摘要：采煤机是综合机械化采煤的核心设备, 其中, 采煤机滚筒的自动记忆调高是自动化采煤工艺的重要环节, 其能够保证煤炭的质量和设备的可靠性。通过系统研究采煤机记忆截割控制系统, 分析其工作原理和系统设计, 为煤炭产业的有序发展提供支持。

关键词：采煤机,记忆截割,控制系统,采煤工艺

参考文献

[1]张福建.电牵引采煤机记忆截割控制策略的研究[D].北京:煤炭科学研究总院, 2007.

截割系统 第2篇

1 纵轴式掘进机截割系统动力学分析

1.1 模态分析理论

模态分析就是通过试验或有限元计算方法得到结构的模态参数,即结构的固有频率、固有振型和阻尼比等[4]。对复杂结构进行准确的模态分析,将为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断以及结构动态特性的优化设计提供依据。

对于纵轴式掘进机,可表示为有阻尼的多自由度系统。对n自由度的线性系统,运动微分方程可表示为:

对式(1)进行拉普拉斯变换,可以得到以复数s为变量的矩阵代数方程

式(2)中的矩阵Ms2+Cs+K反映了系统的动态特性,称为系统的动态矩阵。其逆矩阵为

称为广义导纳矩阵,也就是频响函数矩阵。由式(2)可知

X(s)=H(s)F(s)(4)

式(4)中,令s=jω,则式(4)即是系统在频域中输出(响应向量X(ω))和输入(激振向量F(ω))的关系式。将s=jω代入式(3)中,利用实对称矩阵的加权正交性,可计算出H(s):

式中,mr、kr、cr分别称为第r阶模态质量、模态刚度和模态阻尼,Φri为系统的振型向量。

由式(5)可以看出频响函数包含了系统的所有动力特性参数。试验模态分析就是取得一定频段内的实测频率响应函数数据,进而对系统进行模态参数识别。

1.2 振动仿真分析

在掘进机进行巷道掘进时,机身一般都伴随有很大的振动,不仅会对操作司机产生不良影响,而且会造成掘进机停机故障。采用虚拟样机技术对掘进机的截割系统进行振动仿真和分析,对改进掘进机性能有着重要的作用。对截割系统进行振动分析的过程为:把建立的系统几何模型导入ADAMS动力分析软件中,构造系统虚拟样机,利用ADAMS中的Vibration模块,进而形成振动分析模型。

本次在对截割系统的振动特性进行分析时,输入激励采用简谐正弦信号,主要对竖直方向的载荷进行分析。在竖直方向简谐力的作用下,截割悬臂的质心以及连架质心在水平方向(z向)、竖直方向(y向)、纵向(x向)3个方向上的振动位移响应幅值如图1所示。

在图1中,曲线①为部件质心在x向的位移响应曲线,曲线②为部件质心在y向的位移响应曲线,曲线③为部件质心在z向的位移响应曲线。截割悬臂质心三向位移响应幅值如图1(a)所示。由此可知,在y向简谐力作用下,在频率20,120 Hz处,截割悬臂在竖直、水平及纵向3个方向上均出现明显波峰,产生共振。20～120 Hz范围及大于120 Hz后,悬臂在水平及纵向上由于激励频率远离部件固有频率,振动幅度呈平稳下降趋势。竖直方向上,在频率184 Hz处,悬臂在y向力激励下,出现了反共振响应现象,振动较小。截割连接架质心处三向位移幅值如图1(b)所示,对比图1(a)及图1(b)可看出,两者随激励频率变化而引起的位移幅值变化规律大致相同,且两者的共振频率及反共振频率相近,这种现象是由于截割悬臂与截割连接架实际是使用高强度螺栓固连,因此,对于截割载荷引起的振动响应基本一致,只是由于连接架较靠后,远离截割头振源,故振动位移幅值较小。

2 试验模态分析

掘进机进行截割工作时,截割系统完成其破落煤岩的主功能,由于实际截割受力情况复杂,在截割过程中极易产生较大的动载荷,随机动载荷若引起截割系统产生共振,则对掘进机零部件的结构强度及整机工作性能产生严重影响。因此,为实现截割系统的合理设计,有必要对其固有频率及振型进行分析。本次通过采用锤击法对EBZ-75型掘进机截割系统进行试验模态分析,以获取其固有模态特性。试验模态分析是基于激振力和系统响应的动态测试,通过对系统施加激振力,采集系统的输出响应,再经信号处理和曲线拟合,最终识别出结构系统的模态频率、模态刚度、模态阻尼等参数。

2.1 试验仪器与设备

对于掘进机的试验模态分析,由于加速度传感器的限制,试验采用多点锤击激励、单点响应的分析方法,针对截割系统受力最大的竖直方向上的响应进行测量。截割悬臂段测点的布置以及仪器的连接如图2所示。现场试验采用的主要仪器设备和传感器为INV306U智能信号采集处理分析仪、INV-8型电荷放大器、YJ9A型压电加速度传感器及力锤。

2.2 试验结果分析

按照布置好的测点以及敲击位置对试件测点相应进行采样分析。分析时,将频率定为400 Hz进行随机采样,采样频率为1 024 Hz。采样的结果为试件上某一个测点对激励的响应,这样逐个点地进行敲击,直至采完8个测点。然后对测点进行分析,得到8个点的频响函数。

由试验模态分析理论可知,得出一定频段内的频响函数,即可确定系统的模态参数。DASP分析软件利用频响函数(即频域法)进行模态拟合时,需首先确定分析模态的阶数,采用集总平均法确定的模态阶数如图3所示,根据各点频响函数平均后的曲线峰值点,此次试验收5阶模态。

完成模态定阶后,即可进行模态拟合。本文选取复模态单自由度拟合法进行拟合,得到截割系统在竖直方向上的前5阶模态参数(表1)。

从对截割系统进行的振动仿真分析结果(图1)可以看出,截割系统中截割悬臂段及截割连接架在20,120 Hz处出现了明显的波峰,产生了共振。与表1列出的试验模态分析得到的截割系统竖直方向上的前5阶固有频率相比,第1阶固有频率与仿真分析结果中20 Hz的共振频率相近,仿真分析得出的120 Hz共振频率位于第2阶试验固有频率附近。由于掘进机实际工作时,除截割负载外,回转及升降液压系统、行走机构等都会引起截割系统的振动。因此,采用简谐力作为负载激励进行振动仿真并不能完全激励出截割系统的共振响应频率,与实际振动响应情况相比有一定误差,但采用试验模态分析法可获得更为完整的截割系统模态参数信息。

通过试验模态分析可得出截割系统在竖直方向上的部分敏感频率,掘进机在实际工作中应尽量避免上述频率振源的产生,以减轻悬臂振动,进而保证截割性能,提高零部件可靠性。

3 结语

针对EBZ-75型纵轴式掘进机,基于ADAMS振动分析模块,得到了竖直方向简谐正弦载荷激励时悬臂及截割连接架对激励的响应。分析表明,悬臂及连接架的响应共振频率及反共振频率相近,敏感频率在20 Hz和120 Hz左右。基于模态分析理论,采用锤击法对截割系统进行了试验模态分析,并与振动理论仿真结果进行对比,得到截割系统在竖直方向的敏感振动频率,且试验法能更完整地得到系统的模态信息,为优化截割系统提供试验数据参考。

参考文献

[1]刘雪.纵轴式掘进机工作稳定性的研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2006.

[2]谢锡纯,李晓豁.矿山机械与设备[M].徐州:中国矿业大学出版社,2007.

[3]吴兰艳,周哲波,蒋信.悬臂式掘进机2种截割方式稳定性对比分析[J].煤矿机械,2009,30(5):94-96.

截割系统 第3篇

关键词：悬臂式掘进机,可视化监控系统,截割轨迹,触摸屏,C7-636

0 引言

悬臂式掘进机广泛应用于煤矿的巷道施工中,已成为各产煤国不可缺少的生产设备[1]。然而在煤矿巷道开采过程中,粉尘较大,掘进机操作者因看不清截割头的实际位置而造成欠挖和超挖现象,欠挖带来二次挖掘,超挖带来支护和回填工作量的增大,因此,实现掘进机截割轨迹可视化,使操作司机可根据触摸屏上截割轨迹及相应的报警画面决定掘进机下一步的截割动作,可避免由于掘进机工作环境粉尘较大、操作司机看不清截割头的实际位置而引起的误动作等问题,并可降低操作者的劳动强度,提高施工质量。本文以纵轴悬臂式掘进机为例,设计了一种掘进机截割过程可视化监控系统。

1 系统组成

悬臂式掘进机在进行断面截割时,通过悬臂的上下左右摆动实现断面截割,1次只能截割断面的一部分,如图1所示。

要实现截割过程的监控,必须采集截割头在截割断面中的位置坐标,为此,安装了检测悬臂水平、上下摆动的角位移传感器。如图2所示,掘进机数据采集控制系统由C7-636集成控制系统、增量式编码器以及24 V直流供电装置组成。

1.1 C7-636集成控制系统

主控制机采用西门子C7-636集成控制系统,该系统由CPU314C的外围子模块的SIMATIC S7-300PLC及 SIMATIC触摸面板TP270组成。C7-636具有数字和模拟I/O接口、与其它网络进行通信的DP接口、RS232接口(用于打印和通信),同时触摸屏设备配备的512 MB MMC卡可用来备份资料,供分析、处理及打印使用。C7-636触摸面板基于标准操作系统WindowsCE,可连续显示运行状态、当前过程值以及错误信息,还可在C7-636上输入数据[2]。配套软件为WinCC Flexible组态软件和STEP7 V5.2以上版本PLC编程软件。

1.2 角位移传感器

考虑到煤矿的具体工作环境,并为了简化控制系统中数据采集的硬件部分,角位移传感器采用了北京创思杰科技有限公司生产的型号为ZNT52/08-G1250BZ1/24F增量式编码器。该编码器的供电电源为24 V,可与C7-636共用电源,简化了系统电源部分的设计;检测精度为1 250 p/r。增量式编码器输出A、B和Z相3组方波脉冲;A、B两组脉冲相位差用于判断旋转方向,Z相脉冲用于基准点定位。C7-636集成了4个高数计数器,有专门的接口位置。图2中,检测水平摆动的编码器的A相接在DI+0.0,B相接在DI+0.1;检测垂直摆动的编码器的A相接在DI+0.3,B相接在DI+0.4。

2 触摸屏的界面设计

2.1 总体结构

触摸屏的界面设计可通过其支持软件WinCC Flexible实现,总体结构如图3所示。主界面主要包括参数设定、截割位置显示、报警显示3个部分。在主界面中,工作人员可实时了解截割头在巷道断面中的位置,并可同时查阅历史截割头位置变化曲线,也可切换到参数设定界面。

2.2 可视化截割过程监控界面实现

SIMATIC C7-636触摸屏是将S7-300 PLC和1个可视化操作面板(OP)集成在一起的控制器,对于掘进机截割过程监控系统只需检测2个编码器的4个输入项,而C7-636集成的I/O接口为16/16,因此,无需扩展其它可编程序控制器,系统结构简单。利用WinCC Flexible软件首先创建项目,然后创建画面、组态报警、创建配方、添加切换画面,经过测试与项目模拟,最后传送到触摸屏上即可。图4即为掘进机截割过程监控系统的起始画面。该系统的轨迹显示采用数字、实时曲线相结合的方式,读取PLC所对应的缓存器的数值并直接转为一般曲线后,显示在人机屏幕上。通过设定输入截割断面尺寸、断面边界报警数值、目标值颜色,对截割头超出断面尺寸发出红色报警提示。另外,通过使用触摸屏上的辅助键F1、F2、F3、F4可实现设置常数值、加值、减值、换界面、回前一主界面、系统时间日期设定、设定密码表、密码输入、调整触摸屏对比亮度、输出报表等功能。

3 软件设计

该系统软件主要包括触摸屏程序和PLC程序2个部分,其中系统初始化、运行监控画面、报警输出等功能由触摸屏程序实现,而PLC程序则主要实现整个掘进机截割工艺的数据采集和处理等功能,其设计思想基于尽量节省硬件投资、以软代硬、提高软件效率[3]等。因此,PLC程序采用模块化编程,即主程序调用函数的形式。在S7-300 PLC中,函数作为子程序使用,将整个程序进行结构化划分,便于程序调试及修改,使整个程序条理性强、易读。PLC程序利用STEP7 V5.3软件,使用集成梯形图(LAD)编程语言。由于C7系列PLC集成了4路完全独立的高数计数器,因此,本系统增量式编码器的信号可以直接接在PLC上,其计数器功能是在块OB1中调用专用系统函数块SFB47、背景数据块DB47[3]实现。悬臂垂直摆动的数据采集和处理程序梯形图如图5所示。

4 结语

该掘进机截割过程可视化监控系统在控制方面采用西门子公司生产的SIMATIC C7-636触摸屏进行控制,与原有掘进机控制系统具有兼容性;程序界面采用WindowsCE的可视化界面,利用WinCC Flexible 和STEP7软件实现截割头的数据采集处理及可视化显示。试验结果表明,该系统实现了掘进机轨迹的监控,可为操作者提供实时的截割数据信息,具有操作方便、使用简单等特点,为掘进机断面成形自动控制技术打下了基础。

参考文献

[1]毛君,吴常添,谢苗.浅谈悬臂式掘进机的发展及趋势[J].中国工程机械学报,2007,5(2):240~242.

[2]孟丽荣,万宏天,李颖.基于PLC和HMI触摸屏技术的平推锯控制系统[J].沈阳工业学院学报,2004,23(2):53~55.

掘进机截割头设计 第4篇

截割部工作时, 驱动截割电动机通过减速器带动截割头旋转, 利用装在截割头上的截齿破碎煤岩。截割头纵向推进力由行走机构提供。截割机构铰接于回转台上, 并借助于安装在截割部和回转台之间的升降液压缸和安装于回转台与机架之间的两个回转液压缸, 实现整个截割机构的升、降和回转运动, 由此截割出任意形状的断面。

掘进机的工作效率主要取决于截割头的设计, 截割头要求各截齿负荷均匀, 切割平稳, 摆动小;截割比能消耗低, 截齿消耗少;切割效率高, 产生粉尘量小。

1 设计简述

截割头的主要参数包括:截割头的长度、直径、锥角、螺旋叶片的头数与升角、截线间距等, 这些参数直接影响掘进机的截割性能。

1.1 截割头的长度

截割头的长度不仅与截割阻力的大小有关, 还影响机器工作的循环时间和生产率。因此, 必须合理地选取截割头的长度。

由于工作面煤壁附近的煤岩有压张效应, 在压出带范围内, 煤岩的抗截强度明显减弱, 截割能力和单位能耗降低。因此, 截割头的长度应设计在压出带范围内。

若截割头较长, 对提高掘进机的生产率有利, 但却使截割阻力和能耗增加。若截割功率不能满足要求, 可能因阻力太大, 使悬臂摆动的速度降低, 截割循环的时间增长, 影响掘进速度。如果截割头设计的太短, 虽然可以利用自由面和地压作用, 但由于钻进深度小, 将使掘进速度降低。所以, 纵轴式掘进机截割头的长度应与截深相当, 一般可取500~800m m, 大功率的掘进机可取为1000m m左右。

1.2 截割头的直径

截割头的直径通常指平均直径, 其大小直径直接影响掘进机的截割力和进尺速度。当截割头的功率和转速一定时, 截割头的输出扭矩是常数, 截割头所具有的截割能力与截割头的直径成反比。若截割头的直径过大, 将使切割能力降低。如果截割力小于截割阻力, 就不能完成截割任务。相反, 若截割头的直径太小, 虽然可以获得较大的切向截割力, 但由于截割循环时间加长, 而影响掘进速度, 使生产率降低。通常, 纵轴式掘进机的截割头直径为600~900mm, 大型掘进机可取到1000m m。

1.3 截割头的锥角

为了获得较平整的巷道顶板、底板和两帮, 应结合悬臂的长度和回转中心的位置来合理的确定截割头的锥角。

对于确定的掘进机, 其截割头的锥角是定值, 对任意形状的巷道, 一般不能同时满足上述要求。因此, 就难以同时获得平整的顶板、底板和侧帮。一般锥形截割头的锥角可取为30°~50°。

1.4 螺旋头数和升角

螺旋叶片的头数及升角的大小影响截割头的排屑量。螺旋头数越多, 要保证截齿数截割顺序有规律、同时截割的齿数不变等要求就越困难而且使结构复杂, 截割头重量增加。试验表明, 螺旋头数应小于4个。经分析认为, 不宜采用单头螺旋, 尤其是在较坚硬煤岩的条件下, 为了降低每个截齿的载荷和磨损, 应减小截线距。对于单头螺旋, 就要取较小的螺距, 这将使截割的块度减小, 粉尘增多, 而且使截割头排屑能力降低。因此, 螺旋头数一般选为两头或三头, 对于中小型掘进机多采用两头螺旋叶片。

螺旋升角对截割头的排屑过程影响比较复杂, 关于最佳螺旋升角的取目前尚无确切的结论。在具体设计中, 对于两头和三头螺旋叶片可取升角大于12°。

1.5 叶片的厚度和高度

叶片厚度的确定主要考虑其强度、刚度和耐磨等因素, 并和齿座是否布置其上有关。进行准确的计算很麻烦, 一般可根据实际情况类比确定, 通常取其厚度为10~30mm。

叶片高度影响排屑效果, 应按截割头不堵塞的条件分析确定, 因为对其计算相当复杂, 所以通常可参照其他同类机型确定, 一般取50~80m m。

1.6 截线距

截线距的大小不仅能影响截割阻力和截落煤岩的块度, 而且与单位能耗、截割效率有关。一般, 对于裂隙少, 崩落角小的中硬煤岩, 截线距取为30~50mm;而裂隙多, 崩落角大的脆性煤或软煤岩, 可取为50~70mm。考虑在不同钻进深度时的截割阻力不同, 截割头前端的截线距应该小一些, 而后部的截线距应适当加大。另外, 还要考虑截线距与切削厚度的合理比值, 一般为1.5~2.5。

2 结语

截割头是掘进机的工作机构, 主要功能是破碎和分离煤岩。在截割头的每一转中, 如果同时参加切削的各个截齿都从岩石带中切下同样大小体积的煤岩, 达到每个刀齿受力相等、磨损相同、运动平稳, 这是截割头设计的最佳目标。为了实现掘进机工作效率最大化, 现阶段国内外学者专家和各企业都在潜心研究。

参考文献

[1]陶驰东.采掘机械.北京:煤碳工业出版社, 1993.

[2]王虹, 李炳文.综合机械化掘进成套设备.第一版.江苏:中国矿业大学出版社, 2008.

[3]濮良贵, 纪名刚.机械设计.第七版.北京:高等教育出版社, 2001.

截割头体加工工艺研究及应用 第5篇

截割头体作为掘进机上的关键零件, 质量要求高, 加工工艺复杂, 制造难度大, 其性能直接影响零件的使用寿命, 文章对加工过程中的难点进行分析, 制定合理的加工工艺过程, 保证产品的质量要求。

1 图纸要求及分析 (图1)

从上图1中可以看出截割头体为锥形体, 所有表面需要加工, 图示简图上截割头体最主要的加工难度是空间角度孔 (其中15个为注水孔) 及其相应的平面, 最后每个空间孔处焊上截齿座, 内腔的水穿过空间角度孔从截齿座喷出, 实现其功能。加工难点有:

(a) 整个零件由多个单零件焊接装配构成;

(b) 复杂的空间角度孔, 部分数据如表1;

(c) 加工和装夹不容易实现。

一般的加工设备不能满足空间角度孔的加工要求, 需要用到五轴联动机床, 但是设备成本较高, 通常企业不具备, 想要解决空间角度孔的加工, 选择现有三轴联动卧室镗铣床加工中心 (TOS) , 并且设计相应的工装来实现孔系的加工。

2 加工工艺

此零件主要工艺路线如下:毛坯铸造, 调质, 车加工1, 焊接1, 孔系加工, 焊接2, 车加工2 (图2) 。

(1) 毛坯铸造。

(2) 调质处理, 关键铸钢件需进行热处理。

(3) 车加工1, 选用立式或者卧式车床, 用夹具在小端面使得零件固定, 先加工大端面内孔及外表面, 然后调转加工小端外表面和工艺中心孔, 及Z向尺寸也可以在此工序划出对应基准, 用于后续加工工序工艺参考。

(4) 焊接1, 在截割头内部焊接内花键套 (组焊件) 。

(5) 孔系加工, 除了普通孔系的加工, 此处还涉及到空间角度孔的加工, 有圆周角θ, 倾角β, 需要选用三轴联动卧室镗铣床加工中心, 通过工作台的转动, 并且配合工装的设计, 分别实现倾角β角度, 圆周角θ之间的匹配关系。

(6) 焊接2, 导料料板、截齿座按照加工的孔系逐个焊接上去。

(7) 车加工2, 由于多次的焊接, 零件会存在一定的变形, 此车加工工序作为最后的精车工序, 消除焊接带来的应力变形。

3 总结

针对该零件选用上述工艺加工, 结合现有机床设备, 设计相应加工工装, 合理安排制造资源, 满足产品质量要求的同时, 也节约了生产成本, 为后续相似产品的系列化生产提供了相关经验。

参考文献

[1]王先逵.机械制造工艺学[M].北京:机械工业出版社, 2011.

掘进机截割头设计分析 第6篇

关键词：截割头,头体,螺旋叶片,截齿

引言

掘进机是集截割、装运、行走、操作等功能于一体,主要用于截割任意形状断面的井下岩石、煤或半煤岩巷道。工作时,截割头把岩石切割破落下来,装载机构把破碎的岩渣转运至机尾部卸下,由后面的矿车或皮带运走,从而大大地降低了工人的劳动强度,缩短劳动时间,提高掘进进尺。

截割头是掘进机关键部件,其功率消耗占据了整机效率的80%左右。截割头分为纵轴式和横轴式,纵轴式采用铣削原理破坏煤岩,而横轴式则靠剥削方式破坏岩层。由于破坏煤岩机理不同,纵轴式主要用于较硬岩石,而横轴式则用于较软岩石,因此纵轴式掘进机市场需求量也大得多。本文主要分析纵轴式掘进机的截割头。

纵轴式掘进机截割头由头体、截齿、截齿座和螺旋叶片组成。

头体通常有圆锥形、圆柱形和圆锥加圆柱三种形式。圆锥形截割头利于钻进工作面,但由于垂直于头体母线布置的截齿是向前倾斜,当截割头摆动截割时,截齿承受较大的侧向力,截齿容易折断;圆柱形头体则不容易钻进工作面,同时,截割出的底板和顶板呈锯齿形,支护困难,增加了辅助时间,增加了劳动强度;而圆锥加圆柱则较好的解决了截齿易断和不利于钻进工作面的问题。目前掘进机截割头设计时主要采用圆锥加圆柱的形式。

截齿则分为刀形齿和镐形齿,刀形齿采用径向安装,刀体部分承受较大弯矩,刀体需要很高的强度;而镐形齿截割阻力近于截齿轴线方向,齿的弯矩小,固定简单,设计合理时,可使截齿在工作时自磨刃,保持齿尖锋利,减小截割阻力,延长截齿寿命。

螺旋叶片是沿着截齿座螺旋升线采用耐磨钢板焊接在截割头体上,具有保护截齿和排削的作用。

截割头设计经验参数如下:

1 截割头的长度

截割头的长度直接决定截割阻力和截割效率。若截割头较长,利于提高生产率,但截割阻力和耗能增加,设备故障率增大,使用寿命短;若截割头较短,则钻进深度小,掘进速度低,效率低。根据使用及设计经验,截割头长度一般在800mm左右,功率较高的,可适当增加到1000mm。

2 截割头的直径

截割头在设计时直径一般按头体加上截齿的大径。截割头直径的大小直接影响截齿的受力,直径越大,截齿阻力也越大,单位时间截割效率也越高,但截齿磨损也严重,经济效益不好;截割头直径小,影响效率,掘进进尺少。根据实际使用和设计经验,截割头直径一般在900mm~1200mm之间。

3 螺旋叶片头数和升角

螺旋叶片的头数及升角的大小影响截割头的排屑效果。螺旋头数越多,要保证截割顺序有规律,同时再满足截割齿数不变等要求就越困难,而且使结构复杂、截割头重量增加。试验表明螺旋头数不超过3个。单头螺旋不宜采用,特别是在较坚硬的条件,单头螺旋减小螺距,使截割的块度减少,粉尘增多,而且降低排屑能力。螺旋升角对截割效率和截齿的磨损起决定作用,主要根据掘进机工作方式和截割头形体尺寸来确定。根据实际使用和设计经验,螺旋叶片一般为3个,螺旋升角在45~48度之间取值。另外,在排列截齿时应使每条螺旋线的齿数相等,且工作的齿数基本不变。

目前对截割头分析的不足:

以上对截割头的设计分析是从工程应用角度进行的,未综合考虑围岩特性、地质条件、截割速度等因素。另外,在基础研究方面也比较薄弱,适合我国煤矿地质条件的截割载荷谱没有建立,没有完整的设计理论依据,计算机动态仿真等方面还处于空白;在元部件可靠性、截割方式和新型式的合金刀头材料等核心技术方面与国外有较大差距。

结语

通过对截割头的基本分析结合国内掘进机截割头使用现状,给出了截割头设计的指导数据。后面工作中将进行计算机模拟,找出理想状态下,截割头长度、直径、螺旋线头数、螺旋间距、螺旋升角和截齿排列等之间内在关系,将最优的结果应用到工程实践,来验证设计效果。

参考文献

[1]李晓豁.掘进机截割头设计与研究[M].北京:华侨出版社,1997.

[2]黄日恒.悬臂式掘进机[M].徐州:中国矿业大学出版社,1996.

采煤机截割部传动齿轮接触分析 第7篇

接触是一个复杂的非线性问题,齿轮的啮合是一种典型的接触行为[1]。传统的分析和设计方法也逐渐不能适应设计的要求,而新兴的分析和设计方法正越来越被认同和采用,如王立华和李润方利用有限元理论和数值分析方法,对高速重载齿轮系统在加载和离心力共同作用下的变形和强度进行了分析[2],研究了离心力对该系统的影响和动态响应,利用三维啮合弹塑性接触有限元方法对高速重载齿轮进行了接触强度分析。赵健对齿轮啮合接触非线性分析模型及响应面分析方法进行了阐述[3];郭辉以齿轮接触分析为基础,采用三维接触有限元方法计算了面齿轮副的啮合过程中及其它参数变化时弯曲应力的变化[4];仰荣德利用分形理论计算了凹凸啮合齿轮传动的接触强度[5];孙建国等利用ANSYS/LS-DYNA的显式动力学计算方法,对不同转速下的齿轮副进行了动力接触分析,得出标准渐开线齿轮由于弹性变形导致较大的啮入冲击,齿轮修形后啮入冲击得到明显改善[6]。本文利用ANSYS Workbench作为仿真平台对采煤机截割传动齿轮进行了静力接触分析。

2 理论分析齿轮接触强度计算[7]

传统齿轮接触应力的计算公式是以两圆柱体接触的接触应力公式为基础,结合齿轮的参数导出的。1881年赫兹按照弹性力学的理论,导出了两个弹性圆柱体接触表面最大接触应力的计算公式。

式中,“+”用于外接触,“-”用于内接触,其中,Fn为法向压力,N;σH为接触应力,MPa;b为齿轮的宽度,mm;ρ1、ρ2分别为两轮接触点处的曲率半径,mm;E1、E2为齿轮材料的弹性模量,MPa;μ1、μ2为两轮材料的泊松比。齿面接触强度的条件是σH[σH],[σH]为许用接触应力,MPa。

3 建立模型

在CAXA电子图板绘图软件中有绘制齿轮的模块,可以方便地绘制出变位齿轮的二维模型。本文在CAXA中建立截割部齿轮的二维图形,保存成IGES格式,导入Pro/E软件,选择mmns_part_solid模板,分别以x=0、y=0、z=0建立相互垂直的三个面,用绘图命令画出齿轮的内圆,并拾取齿轮的齿廓曲线,经过拉伸建立三维模型。新建组件,选择mmns_asm_design模板,创建两个轴线,并用销钉的方式对两个齿轮进行装配,然后在机构模块中完成齿轮啮合。本文是对采煤机截割部传动齿轮进行分析,齿轮参数如表1所示。

4 有限元分析

4.1 模型导入

ANSYS Workbench是ANSYS有限元分析软件的新一代产品,其功能强大,可以自动识别接触面。ANSYS12.1可以和Pro/E5.0建立连接,在Pro/E5.0点击ANSYS12.1中的Workbench选项,打开ANSYS Workbench12.1,如图2所示,在工具箱里的Analysis Systems中可以直接拖动Static Structural到A2中,如图3所示。双击A2中的Geometry,导入几何模型并可以对几何模型进行编辑,选择单位mm。

4.2 设置接触面

齿轮传动过程是单双对轮齿交替接触,对单对齿轮接触进行分析。双击B3将一对装配好的齿轮模型导入ANSYS Workbench仿真环境中,ANSYSWorkbench会自动在啮合处添加为绑定接触,删除绑定接触,建立摩擦接触,并设定摩擦系数为0.2。利用ANSYS Workbench接触向导定义目标面、接触面,建立接触对,以主动轮轮廓面作为接触面,从动轮轮廓面为目标面,设置接触刚度因子Stiffness Factor为1.0,如图4所示。接触面的设置是仿真计算时间和精度的关键,物理上,接触体间不相互渗透。因此,程序必须建立两表面间的相互关系以阻止分析中的相互穿透。对非线性实体表接触,可使用罚函数或增强拉格朗日公式。对于刚度因子的设定,刚度增加,渗透会减少,而刚度太大有可能会产生病态的矩阵,从而使计算不收敛。

4.3 设置材料属性

在Engineering Data选项中对齿轮材料进行设置,齿轮材料选择18Cr2Ni4WA,齿面渗碳硬化层有效深度1.9-2.3mm,齿面淬火58-62HRC,其力学特性为:弹性模量为2.021011Pa,泊松比为0.3,质量密度为7800kg/m3,接触疲劳极限σHlim=1600MPa。

4.4 划分网格

在ANSYS Workbench中,网格划分是作为一个体单独的工具平台,为ANSYS的不同求解器提供相应的网格文件,网格划分可以是自动生成的,也可在指定区域进行特定的网格划分。在没有指定接触区域的单元大小时,软件会自动进行网格的划分,这里采用了多体扫掠型划分网格,并在接触面进行网格加密,接触面网格单元为0.8mm,如图5所示。

4.5 添加约束条件和施加载荷

在ANSYS Workbench的仿真环境中,主动轮围绕其中心轴旋转,完成与从动齿轮的啮合。主动轮中心轴的切线方向应为自由的,在轴线方向和径向为固定的。因此在主动轮的中心施加“Cylindrical Support”,并将“Tangential”设定为“Free”,将“Radial”和“Axial”设定为“Fixed”,在从动轮内孔表面施加“Fixed Support”,然后在主动轮的内孔表面加载顺逆时针扭矩,这里是对齿轮进行静力接触分析,所以在主动轮内孔表面加上齿轮正常传动时的3倍扭矩,数值为29238.9Nm。

5 计算结果分析

5.1 接触应力和等效应力分析

图6为接触力分布图,图7为主动轮和从动轮的等效应力分布图。由图6和图7可以看出,两齿轮压应力发生在齿轮的接触面上,接触应力最大为1082.1MPa。等效应力最大为830.92MPa,此应力值小于材料的接触应力极限。由两图可以看出,当齿轮啮合传动时,应力集中分布在齿轮的齿面接触部分,且接触应力在两端处减小,等效应力云图可以直观看出整个齿轮的应力分布情况。图8为等效应力在齿宽方向上的分布,图9为剪切应力在齿宽方向的分布,由图可以看出最大应力出现在两端处,这是因为在两端处的剪切应力最大,最大值为478.46MPa。利用赫兹公式计算可得最大接触应力为1105MPa,比有限元软件计算结果大,但两者相差不到2.3%,其结果是可信的。

5.2 等效应变和安全系数分析

图10是齿轮啮合接触时的等效应变,最大应变是0.0041135,齿轮在此力矩下的应变很小,在传动时不会产生太大的偏差,从而造成更大的振动。在ANSYS Workbench中还可以查看齿轮在受力作用下的安全系数,从而确定齿轮啮合时最容易磨损破坏的区域。图11为齿轮啮合时的安全系数分布图,由图可以看出,齿轮最容易破损的地方出现在齿轮接触部位,其最小安全系数为1.33,齿轮是可以在此力矩下安全运行的。

6 结论

(1)传统分析只能计算出齿轮单对接触的最大接触应力,不能看出应力分布,而通过ANSYS Workbench对齿轮传动时主动轮和从动轮啮合时的接触情况进行分析,可以直观地看到应力主要集中区域、齿轮的弹性应变、剪切应力及各部分的安全系数等问题。

(2)由等效应力集中分布分析,可以采用倒角或修形方式减小齿宽两端的应力,为齿轮修形设计提供参考。

(3)利用有限元分析软件能够有效地对齿轮进行仿真,可以减少实验费用,提高产品设计效率,为产品生产赢得时间。

参考文献

[1]谢最伟,吴新跃,陈艳锋.人字齿轮齿面应力的接触元分析[J].机械设计,2007,24(10):26-27.

[2]王立华,李润方,林腾蛟,等.高速重载齿轮的有限元分析[J].中国机械工程,2003,14(20):1774-1776

[3]赵健,张国智.齿轮啮合接触非线性分析模型及响应面分析方法[J].南京航空航天大学学报,2009,41(4):550-554.

[4]郭辉,赵宁,方宗德,等.基于接触有限元的面齿轮传动弯曲强度研究[J].航空动力学报,2008,23(8):1438-1442.

[5]仰荣德.凹凸啮合齿轮接触强度计算的分形方法研究[D].合肥:合肥工业大学,2009.

[6]孙建国,林腾蛟,李润方,等.渐开线齿轮动力接触有限元分析及修形影响[J].机械传动,2008(32):57-59.

[7]邱宣怀.机械设计[M].北京:高等教育出版社,1997:26-28.