采煤机的动力学模型及其仿真研究
采煤机的动力学模型及其仿真研究
0 引言
由于采煤机工作环境复杂、恶劣，由于煤岩的不同性质，将引起采煤机的载荷变化不均匀，而产生振动现象，致使采煤机的一些关键部件在正常工作中常常出现因过载而损坏的现象。究其原因，主要是对采煤机的动态特性研究的不够，为此，本文着重对采煤机的振动行为进行分析研究，防止其关键部件的损坏与失效，以提高采煤机的工作可靠性。
对采煤机振动行为的研究，主要是对采煤机的实际工作状况进行运动学分析，经过一定的简化与假设，建立滚筒式采煤机的刚体动力学模型以及相应的数学模型;然后，再利用编制的计算机程序进行模拟与仿真;最后，通过理论分析及数据处理，将采煤机振动的模拟结果与实验测得的结果进行比较，找出影响采煤机振动的各种因素，为以后采煤机的设计与研究提供重要的理论依据。
1采煤机的动力学模型
滚筒式采煤机产生振动现象，除了在工作过程中经常要遇到不均匀、不连续、不规则的不同性质的煤岩，这将引起采煤机的载荷变化不均匀以外，还由于采煤和滚筒的安装精度不高存在误差，导致螺旋滚筒在转动过程形成的径向力也将引起机器的振动。再有，螺旋滚筒上的截齿（特别是端盘齿）在圆周上非均匀分布使滚筒在旋转过程中产生的偏心质量也将引起机身、滚筒乃至采煤机整机的振动。
1.1截煤时实际载荷的分析
采煤机在实际工作中，滚筒所受的外载荷Ra、Rb、Rc主要来自3个方向，其大小与参加截割的截齿的几何参数磨损情况、以及煤的截割阻抗大小等因素有关[2]。
事实上，采煤机的螺旋滚筒在截煤过程中，由于煤层的物理机械性能无规则变化和截齿的不均匀分布，其载荷的大小和作用点是随机变化的[1]。
1.2动力学模型和数学模型的建立
首先对采煤机在截煤时的运行工况和采煤机的结构进行假设与简化[1]，并考虑在设计、制造和安装过程中由于滚筒存在的偏心质量所产生的离心力，在此基础上，建立采煤机截煤时的动力学模型，如图2所示。
图2 采煤机振动的动力学模型
利用拉格朗日方程推导出采煤机截煤时的运动微分方程。当假设滚筒所受的三向外载荷的频率与滚筒的频率相同时，即===，得采煤机在z向、y向和x向的运动微分方程分别为：
2采煤机振动微分方程的求解
为便于MATHEMATICA软件的计算，利用动力学系统的状态空间分析法将采煤机振动的二阶微分方程用两个一阶微分方程组来代替[1]这样，不仅使求解容易得多，而且一阶微分方程组可以用矩阵方程表示，简化了系统的数学表达式。
3采煤机的振动模拟及分析
为具体研究采煤机的振动行为，以MG300一W型采煤机为例，将其相应的有关数据代人MATHEMATICA的程序中，绘制出其在z、y、x方向上的振动曲线，并通过改变其中一个参数，而其它参数保持不变的方法，在同一个坐标系中对比参数变化后其振动曲线的变化情况[1]。这里仅给出改变采煤机前滚筒的偏心距和改变滚筒转速。对采煤机机身振动影响的模拟曲线，分别如图3和图4所示。图3中的曲线1,2,3分别对应于前滚筒的偏心距为1, 2, 6，时，采煤机机身在铅垂方向的振动变化曲线;图4中的曲线,2,3分别对应于滚筒转速、为1,0.5,0.3时，采煤机机身在铅垂古向的振动变化曲线。
图3 前滚筒偏心距对机身振动的影响
图4 滚筒转速对机身振动的影响
4采煤机振动的实测分析
实验是在某煤矿的采煤工作面上进行的。由于采煤机受工作条件的限制，在实际工作中进行采煤机的振动测试是极为困难的，因此，本实验采用人工手动测试的方法[[4 ]。取两种不同的牵引速度，分别测得采煤机机身在铅垂方向的振动曲线，如图5所示。
图5采煤机牵引速度为2. 6 m/min和3. 9 m/min时机身的振动实测曲线
由此可见，实测结果与理论分析、的采煤机机身振动的模拟曲线基本吻合，验证了理论模型及仿真结果的可实用性。
5结论
(1)采煤机的结构、形状、尺寸大小、材料选择、截齿布置、工作参数、加工与安装精度，以及煤岩性质等，都对其动力学行为有影响，只有合理地确定采煤机的设计参数，才能减少采煤机的振动，保证其工作性能和使用寿命。
(2)应用计算机仿真研究采煤机的振动行为，是经济而有效的方法。它虽不如实测法准确，但可客观地反映采煤机的振动情况，所得结论可用于指导采煤机的设计。
(3)虽然采取的实验方法简易，但就现实情况而言，不能不说是一种有效的实验手段。MG300一W型采煤机的实测曲线与模拟振动曲线基本相符，表明所建立的动力学模型和数学模型是基本正确的。
(4)以此模型与程序软件作为基础，可进一步深人研讨采煤机的振动行为。
(5)实验证明，采煤机的牵引速度对其振动的频率、振幅的大小都有影响，本文在理论分析时，假设牵引速度是不变的。对于不同的牵引速度及波动率、不同随机载荷的理论分析，是进一步研究的课题。
参考文献
1李萍.采煤机的动力学模型及其仿真研究.阜新:辽宁工程技术大学，2000.
2陈政国.煤炭切削原理与工作机构设计.哈尔滨:哈尔滨工业出版社， 1996.
3徐业宜.机械系统动力学.北京:机械工业出版社，1991.
4李晓豁，杨国华.采煤机机身振动的检测与分析.煤矿机械，2001(1)
5 IEe H .Park YS. The Chexacteastics of Inverse Transfer Function in Determining
Input Force. Proceedings of the International Conference on Vibration Engineering,
1994.
采煤机的动力学模型及其仿真研究.doc
