摘要:随着我国工业化进程的推进，煤炭的开采量日益增多，在煤炭开采中需要利用一些设备，连续采煤机是一种重要的设备。国产连续采煤机的设计性能较差，质量也有待提高，因此不能更好地满足现场施工的需要，影响了我国连续采煤机的发展，降低了采煤的效率。本文介绍了连续采煤机的工作原理，并分析了连续采煤机的动态特性，并进行结构的优化设计。
关键词:连续采煤机;动态特性;结构设计与实现
在煤矿施工中，可以通过连续采煤设备来开采煤炭，连续采煤机可以对岩石巷道进行开挖，也可以单独进行采煤，在很多大型的煤矿中被应用，是一种值得推广的挖煤机械设备。然而，我国国产的连续采煤机由于在技术上还不完善，投入相对较少，因此，在施工中往往不能适应现场的状况，就需要对连续采煤机的结构进行设计和优化。
1连续采煤机的结构和运动
1．1连续采煤机的结构和工作原理连续采煤机可以适用于各种煤层煤矿的开采，最大的开采高度达到6m，在新开采的工艺下，同样可以利用连续采煤机开采边角煤、呈不规则性状的煤炭等，有利于增加煤炭的产量，也有利于提高矿井的使用率，延长寿命。目前我国比较常见的连续采煤机为12CM15－10D连续采煤机，其在技术上有一些较突出的特征。其截割的宽度可以达到3300mm，生产能力在15t/min～27t/min，在工作时，可以跨高进行操作，最大采高高度为4．6m。可以充分发挥其截割优势和采高优势，增大采煤的效率和采煤量。连续采煤机的结构可以包括几个方面:行走结构、装运结构、切割结构、安全保护装置、电气系统等。其通常具有的结构特点主要包括四个方面:①可以进行多电机驱动。通过多个电动机进行驱动，分别作用与行走、切割、装运、冷却等系统，一般可以采用八个电机，有利于分工操作，提高施工的效率;②可以采用侧式装载的方法，在挖掘之后可以通过侧式装载机进行装运，并可以利用刮板机将其转运到采煤机的机尾处进行卸载;③具有履带行走机构。履带行走装置不仅可以顺利地通过，还可以很好地附着在土壤上，从而可以增大支撑面积，避免在不规则的道路中发生倾倒、歪斜的情况;④采煤机的电气系统。采煤机都配备电气系统，一般要求保证电气系统的安全性和可靠性，当主电路发生漏电、短路的情形时可以起到很好的隔绝和保护的效果。1．2连续采煤机运动学分析1．2．1行走机构运动分析履带行走机构在对工作面进行切割时保持静止不动，而在掏槽时则以固定的速度前行，当履带行走机构向前行走时，主要经过发动机系统和传动系统，然后传送到驱动轮，可是实现驱动轮上的轮齿和履带齿的啮合，从而将履带卷起，并由后方向前方进行铺设，从而推动导向轮和支重轮的行走。1．2．2装载机构的运动分析装载机构的型式可以分为两种，一是蟹爪式装载机构。其结构较为简单，装载的效率较高，但受到装载能力的限制，装载量小。二是星轮式装载机，星轮式装载机的机械结构也较为简单，可靠性强，其装载宽度也比蟹爪式装载机大，因此其装载能力大，装载量大。基于星轮装载机的优势，在具体的应用中，连续采煤机通常采用的是星轮装载机。具体的运动流程为:在两台交流电动机的驱动作用下，左右两侧的星轮装载机开始工作，两侧的装载机构分别进行驱动，更为安全可靠。1．2．3截割机构运动分析截割机构的运动分为两个方面，一是采煤机挖槽的运动，二是截割机构的运动，这两个机构在运动时不相同，掏槽时连续采煤机一边行走一边进行截割，但摇臂不摆动，而在截割工作面时，连续采煤机是停止行走的，但摇臂搬动截割。
2连续采煤机动力学分析
2．1连续采煤机的震动模型连续采煤机是一个复杂的系统，由多个运动、转动和摆动的零部件组成，在工作时，由于环境多变，其工作状态也多变，连续采煤机的动力学模型是由无限个动力学的系统组成。因此，在设计时可以将其简化如下:①煤壁单轴压缩的强度保持不变;②连续采煤机各个部分的质量均匀分布，零部件的质量都汇集在质心上;③每个部分的连接处的元件视为无质量;④底板不产生震动，视为平整，也没有变形。将系统简化，则系统的组成部分可以分为三个部分:滚筒、摇臂和机体，这三个部分的质量都汇集在质心上。2．2震动来源震动的来源众多，其中主要包括四个方面:一是工作荷载引起的波动;二是旋转质量的不平衡;三是往复质量的不平衡，四是由于设计的安装或者故障引发的震动，本文主要探讨第一个和第二个方面的振动。2．2．1工作荷载引起的波动在对煤岩进行截割时，不同的煤岩介质会施加不同的作用力，从而引起单个截齿承受力度的变化，突然变动的作用力可能导致截齿的磨损，甚至会发生截断的情况。因此，如果连续采煤机在已经迟钝或者截断的状态下工作，则截割时就会大量损耗机械能量，增加了采煤的成本。在截割的过程中，每个截齿所承受的力度具有不确定性，因此导致滚筒上的荷载量出现较大的波动，从而使机器产生剧烈的波动，影响了连续采煤机工作中的稳定性，缩短了各个零部件的使用寿命，增加了运行、维修的成本，可能产生安全隐患。2．2．2截割滚筒旋转质量的不平衡滚筒在安装的过程中或多或少都会存在一些偏差，同时，叶片和截齿在滚筒圆周上不是均匀分布的状态，因此截割滚筒的中心和轴线不能实现重合，会产生离心力，惯性离心力大小和旋转不平衡质量、偏心距和角速度的平方成正比例关系。2．3连续采煤机的振动控制连续采煤机工作的过程中，产生的振动会对设备的工作精度和准度产生影响，特别是当截齿瞬间的切割深度没有达到标准的要求时，则会进一步使截齿磨损，甚至破坏结构的内部，同时，还可能使机械的零部件产生位移，从而影响机械的正常工作。因此连续采煤机的振动对机械的使用寿命有着重大的影响，还会降低采煤的工作效率，因此对连续采煤机进行振动的测试和提出解决的方法具有重要的意义。振动控制可以分为两种:一是振动的被动控制，二是振动的主动控制。振动的被动控制结构相对不灵活，不能及时反馈。在振动的主动控制中，做功机构需要消耗大量的能量，能量主要由能源进行补充，通常可以分为开环控制和闭环控制，目前主要利用闭环控制。振动的主动控制的方法可以分为三种:第一，及时调整谐振点来防止振动。要根据振动系统响应的大小来调整结构参数，从而可以有效地改变谐振点，防止共振;第二，对其施加反方向的作用力，从而达到减震效果;第三，将阻尼的大小进行调整，来吸收振动产生的能量，从而达到隔振的效果。
3连续采煤机结构动态优化设计
3．1建立有限元模型3．1．1物理模型进入Pro/E，在标准的模式下建立一个三维模型，进行合理的推测和驾驶，将实体转化成对应的物理模型，简化的假定是每个物体的材料具有同向性，且内部没有缺陷。3．1．2数学模型数学模型是在物理模型的基础上得来的，可以进行适当的假设，假定各种材料是线性的，平板大而薄，在简化后可以通过偏微分来对其进行描述。3．1．3建立有限元模型有限元模型是在数学模型的基础上，也就是将偏微分方程离散为代数方程，从而进行解答。3．2灵敏度设计建立有限元模型主要是为了进行优化设计，按照一定的约束目标，从而可以找到设计目标的假定值。在设计中，参数较多，因此每个具体的参数对目标的影响也不同，因此在进行优化设计时，可以忽略掉一些次要的设计参数，通过灵敏度的设计来选择重要的参数，找到最优的设计结果。截割臂的主要参数可以如图1所示，OA与AC的夹角为2°，OA和AC之间长度，截割臂的横截面积，还有截割油缸和截割臂之间连接点的位置。
4结语
我国煤炭开采量日益增多，在施工中利用连续采煤机是必不可少的，连续采煤机的行走机构、装载机构和截割机构各有其自身动力学原理，在采煤机的运行中发挥着重要的作用。可以通过建立物理、数学和有限元模型的方法来对设计进行优化，减少连续采煤机的振动，提高整体性能，并推动连续采煤机不断进行改进，提高采煤水平。
参考文献:
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作者：刘万军 单位：神华神东煤炭集团有限公司
