基于相似理论的采煤机模拟螺旋滚筒的设计

第23卷第4期 2016年8月工程设计学报Chinese Journal of Engineering Design Vol. 23 No. 4Aug.2016DOI：10. 3785/j.issn.1006-754X.2016. 04. 004基于相似理论的采煤机模拟螺旋滚筒的设计彭天好，王光耀，张义龙，黄鹏，钟伟才(安黴理工大学机械工程学院，安黴淮南232001)摘要：为研究采煤机自动调高，提出建立采煤机模拟截割实验装置，给出了模拟截割实验装置示意图.针对某型薄煤层采煤机，根据相似理论建立了模型与原型间相似参数的相似准则，确定了模拟螺旋滚筒相关参数数值，为螺 旋叶片和端盘配置了截齿，使用SolidW orks建立了模拟螺旋滚筒各零件模型，经虚拟装配及干涉检查完成了模拟截割装置的螺旋滚筒三维建模，为采煤机模拟截割实验装置整机设计奠定了基础.关键词：相似理论；螺旋滚筒；模拟截割；截齿配置；三维建模中图分类号：TD 421 文献标志码：A 文章编号：1006-754X(2016)04-0322-05Design of shearer simulated spiral drum based on similarity theoryPENG Tian-hao,WANG Guang-yao,ZHANG Yi-long，HUANG Peng，ZHONGWei-cai (School of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001，China)Abstract：In order to study automatic height adjustment for shearer drum,a simulated cutting ex­periment device for shearer was built and the schematic diagram of the device was provided.One type of thin seam shearer was selected as prototype.The similarity criterions between model and prototype were established based on similarity theory,and the correlative parameters of simulated spiral drum were determined.Picks arrangement on helical vanes and drum plate were accom­plished.By using SolidWorks software,the 3D models of the parts of the simulated spiral drum were established,then the 3D models were assembled,and the interference between parts was checked,thus the 3D model of the simulated spiral drum was finished,also laid the foundation for the design of simulated cutting experiment device for shearer.Key words：similarity theory；spiral drum；simulated cutting；pick arrangement； 3D modeling采煤机截割滚筒自动调高技术是实现采煤工作 面自动化的重要关键技术之一[>3].滚筒自动调高技 术的实现依赖于调高系统的优化设计，煤岩分界辨 识技术的精确可行及自动调高控制策略的合理制 定.然而受采煤工作面特殊工况的限制，无法通过真 实采煤机结合现场工况来研究采煤机调高的相关问 题[4]，为此提出建立采煤机模拟截割实验装置，该 装置能模拟采煤机的截割运动、调高运动及牵引运 动，为采煤机的自动调高研究提供实验平台.模拟截割实验装置以某型薄煤层采煤机为原 型，按照相似理论进行设计，如图1所示：截割电机8经过模拟摇臂2驱动模拟螺旋滚筒3旋转来模拟 采煤机截割运动；调高油缸5连接于机身6与模拟 摇臂2,在液压泵站1的驱动下实现采煤机调高运 动模拟；牵引油缸9 一端固定在底座7上，另一端固 定在机身6下部，在液压泵站1的驱动下实现采煤 机牵引运动模拟.螺旋滚筒具有外形结构复杂、截齿定位参数多、截齿配置困难等特点，同时它作为采煤机的工作机 构，其结构与运动参数是牵引部、调高部等其他部件 设计的基础，对整机的性能有重要影响，是采煤机模收稿日期：2016-01-14. 本刊网址•在线期刊：http:// www. journals, zju. edu. cn/gcsjxb 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51475001).作者简介：彭天好（1964—），男，江西鄱阳人，教授，博士，从事液压节能传动、矿山机械及机电液控制方面的研究，E-mail: thpl909@163. com. http：//orcid. org//0000-0002-3356-4633第4期彭天好，等:基于相似理论的采煤机模拟螺旋滚筒的设计•323•1_液压泵站；2—模拟摇臂；3—模拟螺旋滚筒；4一模拟煤壁；5—调 局油缸；6—机身；7—底座；8—截割电机；9一牵引油缸.图1采煤机模拟截割实验装置示意图Fig. 1 Schematic diagram of simulated cutting experiment device for shearer拟截割实验装置设计中的重点和难点.为此，本文重 点论述该模拟截割实验装置中模拟螺旋滚筒的设计.1确定模拟螺旋滚筒相关参数1.1相似参数的确定在相似模型设计中，首先需要确定相似参数.为 使模拟截割实验装置准确模拟采煤机的实际工况，必须做到2个相似：一是模拟螺旋滚筒与实际螺旋 滚筒相似，二是截割材料与实际煤岩的力学性质相 似.据此，在确定模拟螺旋滚筒的相似参数时，不仅 需要选取螺旋滚筒结构参数，同时应选取采煤机运 动参数和截割材料特性参数[5].螺旋滚筒结构参数 包括滚筒直径D、螺旋叶片外缘直径Dy、筒毂直径 Dg、螺旋叶片导程L、滚筒宽度B、截齿冲击角/?、叶片头数Z和叶片上同一截线上截齿数采煤机运动参数包括滚筒转速〃和牵引速度v.截割材料特 性参数包括材料密度P和材料抗压强度a.此外，考 虑到装置实验结果的相似性，因螺旋滚筒截割阻力 矩能够反映截割状态，故将截割阻力矩T f作为 实验结果的相似参数.1.2相似准则的推导对于量纲相同的多个参数，其满足相同的相似准则，为简化计算，仅取其中一个参数进行相似准则 推导.对于滚筒直径D、螺旋叶片外缘直径Dy、筒毂 直径D g、螺旋叶片导程L和滚筒宽度B这5个参 数，其单位均为mm，即满足相同的相似准则，限于 篇幅在表1、表2、表3中仅对参数滚筒直径D进行 相似准则推导.采用M L T基本量纲系统，列出原型机滚筒相 关参数数值及量纲表，如表1所示.表1滚筒相关参数数值及量纲表Table 1 Correlative parameters' values and dimensions of drum参数符号数值单位量纲M L T滚筒直径D 1 150mm010螺旋叶片头数Z2个M°L°T°000叶片上同一截线上截齿数m2个M°L°T°000截齿冲击角40(°)M°L°T°000滚筒转速n54r/min M0L0T-100-]牵引速度V 6. 47m/ min M U-101-]材料密度P 1 350kg/m3M U01-30材料抗压强度a23MPa M U-21-1截割阻力矩Tf N •m U2V T212由表1知在M L T基本量纲系统下和为无量纲物理量，在相似模型设计中，原型与模型相关 物理量数值相等[6]，不需要推导相似准则.经上述分析，需推导相似准则的参数共6个，分 别为D，〃，…根据相似第二定理(7T定理），相 似参数个数为6,基本量纲个数为3,那么7T法则数 目为3(6 —3)个.由量纲分析知包含了M，L，T三个基本量纲.同时分别对应着螺旋滚筒结构类参数、采煤机运动类参数、截割材料特性类 参数.所以，选定0，〃，^为基本物理量列出量纲矩 阵指数表，如表2所示.表2量纲矩阵指数表Table 2 Exponent table of dimensional matrix 参数n9D V a Tf指数a\ a 2a4a5^6M0100i1L0-311-i2T-100-1-2-2根据表2中量纲的指数值，由因次量纲矩阵的量纲关系得M：a2 +a5 +a6 = 0? ]L: —3a2 +a3 +a4 —a5 +2a6 = 0，(1)T：——a4—2a5—2a6=0•J根据量纲矩阵列出tt矩阵.按式(l)计算出矩阵 中各数值并填人表3的矩阵中.表3滚筒主要参数的；T矩阵Table 3 t c matrixes of drum main parameters参数719D V a Tf指数a\a2a3a A a5<26100-1-1/31/3丌10102-10丌200101/3-1/3丌3根据表3列出T T法则，如式（2)所示:V—V3T}/3，(2)712 =fV2 O^1?T T s =Da1/3T i1/3.1.3相似系数的确定相似系数G为Cx=(3)x式中表示原型中物理量；Xm表示对应原型中X 的模型物理量.由式（2)和式（3)可建立相似系数关系式为c r1/3 —r r11/3)^n^T{—?目前，滚筒模型的相似系数取值并没有可借鉴 的理论方法.在文献[7]中取C d=l/8，c…= 8,=C p = 1/82;在文献[8]中，= 1/3，C…第4期彭天好，等:基于相似理论的采煤机模拟螺旋滚筒的设计•325 •t= 0. 5^, (9)端盘截齿的截线数N d为N d=int 0.2Bm0• 5广(10)得N d=3条，故端盘上布置3条截线.从煤壁向采空区，依次定义端盘上3条截线为Di9D2?D3•截齿数：截线A暴露在最外侧，工作条件最恶 劣，截线上齿数最多，其截齿数应比叶片上截齿数多 3〜4个，为提高设计可靠性，A上布置6个截齿；截线A及A上截齿数应大于叶片上截齿数，且小 于截线A上截齿数，取截齿数为3个.冲击角：端盘上截齿冲击角与叶片上截齿冲击 角相同，即/?=40°.倾斜角：截线A截齿应具备在煤壁上自开缺 口的能力，截线A截齿应取较大倾斜角，且倾斜角 不大于50°，取倾斜角为40°;截线A为0°齿截线，倾斜角为0°;螺旋滚筒工作中受较大侧向力，为抵 消滚筒所受侧向力，截线A倾斜角取一8°，向采空 区一侧倾斜.歪斜角：歪斜角的设置是为了增加最外侧截线 上齿座与煤壁侧壁间隙，减小齿座与煤壁间摩擦.对 于本设计，只有截线A上截齿与煤壁侧壁可能产 生摩擦，取截线A歪斜角为5°，截线A和A上截 齿歪斜角取0°.汇总端盘截齿配置信息如表5所示.模拟螺旋 滚筒截齿配置如图3所示.表5端盘截齿配置Table 5 Arrangement of cutting picks on drum plate截线截齿数/个冲击角/(°)倾斜角八°)歪斜角八°) D1640405d234000A340-80180(图3模拟螺旋滚筒截齿配置图3 基于Solid W orks的三维建模在SolidW orks软件环境下，首先建立模拟螺旋滚筒中各零件的模型：1)筒毂，2)螺旋叶片，3)端盘，4)截齿，5)齿座.螺旋叶片2上开有安装槽，安装槽定位对于后续截齿虚拟装配十分重要，现就螺旋叶片2建模过程作简要说明：①在SolidW orks草图模式下绘制2条直径分别为叶片外缘直径与筒毂直径的螺旋线；②使用放样折弯特征，选取①中的2条螺 旋线，设定叶片厚度为20 mm，生成螺旋叶片；③根 据图3中滚筒上端部安装槽的位置信息，使用拉伸 切除特征在螺旋叶片上切出一个安装槽；④运用曲 线阵列特征阵列③中安装槽，阵列出7个安装槽，完 成螺旋叶片全部建模.根据螺旋滚筒零件间连接关系，在零件模型间添 加配合约束实现虚拟装配.运用SolidWorks干涉检 查功能对装配体进行干涉检查，根据检查结果完善设 计.最终，模拟螺旋滚筒的三维建模如图4所示.1一筒毂；2—螺旋叶片；3—端盘;4 一截齿；5—齿座.图4模拟螺旋滚筒三维图Fig. 4 Graphic model of simulated spiral drum4结束语论文依据相似理论确定了模拟螺旋滚筒的结构 参数、运动学参数及截割材料特性参数;对螺旋滚筒 进行了截齿配置，确定了叶片和端盘上的截线条数、截齿分布及各齿的冲击角、倾斜角和歪斜角，在此基 础上完成了模拟螺旋滚筒的三维建模，为采煤机模•326 •工程设计学报第23卷拟截割实验装置整机设计奠定了基础.参考文献：[1]王国法.综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向[J].煤炭科学技术，2014,42(9):30-34.WANG Guo-fa. 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