[發明專利]一種自主定位采煤機動力學模型的建立方法

在審

• 申請號: 201310753845.3
• 申請日: 2013-12-31
• 公開（公告）號: CN103778279A
• 公開（公告）日: 2014-05-07
• 發明（設計）人: 方新秋;王剛;梁敏富;劉曉寧
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

1.一種自主定位采煤機動力學模型的建立方法，其特征在于：在整個工作面范圍內，對采煤機進行簡化，將采煤機作為一個質點，并以采煤機的運動空間建立二維坐標系，分析采煤機一個循環割煤周期的運動路線、各個運動路線上的運動狀態以及受力特征；建立了自主定位采煤機動力學模型，并求得采煤機動力學方程，可以模擬各種工況、各種載荷條件下，機器各部分的質量、剛度等因素對采煤機振動的影響；具體步驟如下：

a、在研究整個工作面范圍內，對采煤機進行簡化，將采煤機作為一個質點，并以采煤機的運動空間建立二維坐標系，二維坐標系中平行于煤壁方向建立y軸，垂直于煤壁方向建立x軸，采煤機的初始位置位于工作面端頭，即O（0，0）；

b、在二維坐標系中建立采煤機一個循環割煤周期的運動路線模型；

c、對完成建立的運動路線模型不同部分進行運動狀態研究；

d、對采煤機在所建立的運動路線模型中不同部分的受力特征進行分析。

2.根據權利要求書1所述的一種自主定位采煤機動力學模型的建立方法，其特征在于：所述的采煤機一個循環割煤周期的運動路線，采煤機滾筒割煤深度為H，刮板輸送機與煤壁的夾角為運動路線分為以下階段：

a、采煤機工作時從工作面的一端沿角度方向進入煤壁，即OA段，達到直線段上的C處時，采煤機停止工作；

b、推直OA段的刮板輸送機，采煤機從C處反向割煤至工作面的一個端頭B處停止；

c、在BC段，采煤機從B處運動到C處，此階段采煤機完成清理浮煤；

d、在CD段，采煤機從C處正常割煤，運動到工作面另一端頭D處停止，完成一個循環割煤周期；

e、之后，采煤機的運動路線與O點相似，方向相反，完成余下的割煤。

3.根據權利要求書1所述的一種自主定位采煤機動力學模型的建立方法，其特征在于：所述的采煤機運動路線上的運動狀態包括3種，具體如下：

a、在OA和DE段,采煤機搖臂不動,滾筒旋轉,采煤機沿斜線牽引前進；

b、在CB，BC，CD和EF段,采煤機搖臂不動，滾筒旋轉，沿直線運動；

c、在點B，C，F，G時,采煤機停止前進，搖臂擺動，滾筒邊運動邊旋轉；

d、在點A、C時，為采煤機割入煤壁后運行至工作面直線段的位置，在點B、D時，為采煤機運行至工作面上、下端頭的位置，BC段為采煤機在工作面直線段清理浮煤過程，DE段為采煤機從工作面的端頭D以角度反向沿輸送機彎曲段割入煤壁，CB、CD、EF段皆為采煤機從直線段割煤至工作面端頭的過程。

4.根據權利要求書1所述的一種自主定位采煤機動力學模型的建立方法，其特征在于：所述的采煤機在割煤時的受力特征可按以下步驟進行分析：

步驟一，對采煤機的滾筒進行受力分析；

用F_ai，F_bi，F_ci分別表示為滾筒上第i個截齒的側向阻力、推進阻力和截割阻力，用Fx，Fy和Fz分別表示滾筒所有截割(N_i)受力沿x，y，z坐標軸方向上的分力之和，用Fx(t)，Fy(t)，Fz(t)分別表示采煤機割煤過程中推進阻力、截割阻力、側向阻力隨時間的變化，表示刮板輸送機與煤壁的夾角：

Fx(t)=Σi=1NiFai(t);]]>

步驟二，對采煤機整體受力進行分析；

采煤機質量為m，α₁和α為t時刻采煤機搖臂與機身的夾角，W為采煤機的牽引力，在t時刻時，采煤機的空間位移分別為x(t)，y(t)，z(t)；

根據牛頓第2定理，得出沿x，y，z3個坐標軸方向采煤機運動的微分方程：

m_x″(t)＝F_x1(t)sinα+F_x2(t)sinα；

m_y″(t)＝W+N₁f+N₂f+N₃f′+N₄f′+F_y1(t)cosα+F_y2(t)cosα；

m_z″(t)＝N₁+N₂+N₃+N₄+F_z1(t)+F_z2(t)；

再根據力系的合成和平衡原理,將采煤機上的力系簡化到采煤機的機身上，簡化后的力系過質心3個軸的力矩為：

Mx=N1l1+N2l1+N3l1+N4l1+Fy1(L32d1sinα)+(N1f+N2f+N3f′+N4f′)l2+]]>

Fx2(L32+d2sinα1)+Fz1(L12+d1cosα)+Fz2(L12+d1cosα1);]]>

My=N1L22+N2L22+N3L22+N4L22+Fx1[L32+d1sinα]+Fx2[L32+d2sinα]+(Fz1+Fz2)[L22+D2]]]>

Mz=N1f+N2f+N3f+N4f′+Fx1[L12+d1cosα]+Fx2[L12+d2cosα]+]]>

(Fy1+Fy2)[L22+D2]L22;]]>

采煤機繞3個坐標軸轉動的角度表示為根據剛體的定軸轉動定力，進而分析可知：

上式中：f為摩擦系數；N_i為滑靴和導向套支撐反力，f_Ni(i=1～4)為滑靴和導向套摩擦力；F_ai,F_bi,F_ci(i=1,2)分別為前后滾筒的側向阻力、推進阻力和截割阻力在3個坐標軸上的分力；W為采煤機的牽引力；L₁，L₂，L₃分別為采煤機機身的長、寬和高；S_i(i=1～4)為支撐力和摩擦力的力臂；J_x，J_y，J_z為采煤機分別繞x，y，z軸的轉動慣量；

步驟三，根據采煤機的工作環境，對采煤機運動過程中的復雜的受力特征作出簡化分析；

a、采用鏈牽引或齒輪傳動的采煤機,瞬時速度略有波動,采煤機的牽引速度較低,可忽略速度波動。即采煤機F_z=0；

b、將采煤機視為力偶平衡,采煤機在兩側與刮板輸送機接觸點的各個方向轉動較小，可忽略轉動的影響。即M_x=M_y=M_z=0；

綜合以上各式，用F_x0，F_y0，F_z0分別表示x，y，z坐標軸上不隨時間變化的合力，進而得出采煤機的動力學方程為：

m_x″(t)＝F_x1(t)sinα+F_x2(t)sinα；

m_y″(t)＝F_yo+F_y1(t)cosα+F_y2(t)cosα；

m_z″(t)＝F_zo+F_z1(t)+F_z2(t)；

步驟四，通過所得結論，模擬各種工況、各種載荷條件下，機器的質量、結構形式、幾何參數等因素對采煤機運動的影響，繼而用于指導采煤機的設計與工作。