轻量化掘进机截割臂工作性能的离散元分析

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轻量化掘进机截割臂工作性能的离散元分析

王成军1,2，严 晨1,2，王 浩1,2

(1.深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,淮南 232001；2.安徽理工大学机械工程学院,淮南 232001)

摘 要 针对纵轴式掘进机截割臂惯性大、结构稳定性差、姿态调节有限等问题,运用机器人拓扑结构分析设计出4RPU+R一平移三转动轻量化截割臂。针对截割臂遮护板遮护面积不足、缺乏保护等问题,运用发明创造理论(theory of inventive problem solving,TRIZ)设计伸缩式遮护板。利用离散元数值模拟方法分析该机构对煤岩断面成形质量的影响,结果表明，矩形断面掘进成形率可达77.96%。该一平移三转动轻量化截割臂用于矩形煤岩断面成形的效果较好,验证了机构设计的合理性,可为掘进机截割部件轻量化设计提供参考,并对掘进设备的优化和支护环境的改善提出展望。

关键词 截割臂；轻量化设计；拓扑结构；发明创造理论(TRIZ)；离散元

煤炭是全球最重要的基础能源,也是中国最主要的一次能源,主要依靠部分断面掘进机进行采掘[1-2]。其中,纵轴式部分断面掘进机截割臂的轻量化设计对采煤的效率及自身工作寿命影响极大。中外许多专家和学者对截割臂的结构设计和动力学分析进行了研究。宗凯等[3]通过建立掘进机截割臂摆角跳动动力学模型,得到截割头载荷与截割臂驱动油缸压力及截割臂摆角之间的关系；李旭等[4]基于微分几何理论建立掘进机工作机构的运动学模型,并利用牛顿迭代数值求解方法和 MATLAB 软件验证了微分几何法用于提高掘进机截割断面成形质量的可靠性；王苏彧等[5]通过分析煤岩硬度与截割臂摆速、截割电机转速之间的关系,初步搭建了掘进机自主截割控制系统；刘炜煌等[6]利用Abaqus软件建立双齿截割煤岩的模拟模型,并找到双齿截割煤岩时最佳截线间距与切削厚度的组合；Dewangan等[7]通过切削量、齿尖温度和截齿磨损量3个评价指标对两种不同材料的截齿进行对比,确定两种截齿在直线截割条件下的最佳倾斜角度；Grima等[8]指出,与大气环境条件下相比,高压条件下切削力会因膨胀而增大,压实而降低,且高压下岩石的截割过程呈现明显的塑性断裂模式。

现运用机器人拓扑结构理论和发明创造理论(theory of inventive problem solving,TRIZ)对纵轴式掘进机截割头的工作臂进行轻量化设计[9],利用离散元方法分析该机构掘进机截割头对煤岩断面成形质量的影响,验证机构设计的正确性,为掘进机截割部件轻量化设计提供参考,并对掘进设备的优化和支护环境的改善提出展望。

1 截割臂结构设计

截割臂是纵轴式掘进机的重要组成部分,直接关系到煤矿生产能力和生产安全,但在使用过程中常因截割臂笨重、截割头姿态调节有限等原因,致使其存在结构稳定性差、系统惯性大、动力性能不好、工作效率低、截割臂缺乏保护等问题,故设计一种结构紧凑、遮护面积大的的轻量化截割臂。

1.1 驱动机构拓扑结构分析

截割臂质量过大易导致截割臂系统惯性过度,在不影响掘进机结构稳定性以及结构强度的情况下,对截割臂进行轻量化设计,增加截割头的姿态调节空间与运动自由度,截割臂驱动结构采用4RPU一平移两转动3自由度并联机构,驱动方式为液压马达,其拓扑结构如图1所示。

图1 并联工作臂机构原理图
Fig.1 Schematic diagram of parallel working arm mechanism

并联工作臂的机器人拓扑结构[10]为

4-SOC{-R(⊥P)‖(R⊥R)-}PM

(1)

式(1)中:SOC表示运动单开链；R表示转动副；P表示移动副；PM表示并联机构。

1.2 并联工作臂自由度计算

由图1可知,并联工作臂由左右、前后两两对称布置的RPU结构的支链组成,U表示万向节(等价于两个相互垂直的R副)。4条支链的拓扑结构为

SOC{-Ri1(⊥Pi2)‖(Ri3⊥Ri4)-},

i=1,2,3,4

(2)

4条支链末端构件POC集为

(3)

式(3)中:Ri1表示第i条支链定平台的转动副；Pi2第i条支链的移动副；Ri3和Ri4共同组成第i条支链的万向节U；t3表示末端构件存在三维移动；r2表示在平面内存在二维转动；Mbi表示第i条支链末端构件的POC集(方位特征集)。

并联机构独立回路的个数为3,设第1个独立回路的独立位移方程数ζ1,则第1个独立回路的独立位移方程数为

ζ1=dim{Mb1∪Mb2}

(4)

式(4)中:dim.表示独立回路的维度。

(5)

第1、2条支链组成的子并联机构动平台的POC集为

(6)

设第2个独立回路的独立位移方程数ζ2,则第2个独立回路的独立位移方程数为

ζ2=dim.{Mpa(1-2)∪Mb3}

(7)

ζ2=

(8)

第1、2、3条支链组成的子并联机构动平台的POC集为

Mpa(1-3)=Mpa(1-2)∩Mb3=

(9)

设第3个独立回路的独立位移方程数ζ3,则第3个独立回路的独立位移方程数为

ζ3=dim.{Mpa(1-3)∪Mb4}

(10)

ζ3=

(11)

则并联工作臂(4RPU)的自由度为

(12)

式(12)中:F为并联机构的自由度；fi为支链中运动副的自由度,由于每条支链中运动副的自由度相同,故fi=4。

第1、2、3、4条支链组成的并联机构动平台的POC集为

Mpa=∩

(13)

基于消极运动副判定准则,该机构不含消极运动副。由并联机构动平台的方位特征集Mpa,该机构在R11和R31副的两轴线公垂线方向,存在一个独立移动,沿着R11和R31副的两轴线方向存在两个独立转动,即并联工作臂的自由度是一平移两转动。

基于运动副判断准则,该机构的4个P副可同时为驱动副,即采用液压马达驱动满足工作要求。

2 截割臂模型建立2.1 并联工作臂结构设计

采用CREO 2.0软件建立截割臂三维模型,为了便于理解截割臂的零件结构和运动形式,利用CAD软件导出截割臂结构简图,如图2所示。

1为并联工作臂动平台；2为万向节；3为双排液压缸；4为转动铰链；5为定平台
图2 并联工作臂结构简图
Fig.2 Structural diagram of parallel working arm

根据并联工作臂驱动机构的机器人拓扑结构设计出掘进机一平移两转动3自由度并联工作臂,该机构由4个相同的单开链并联而成,每个单开链的转动副R采用一个转动铰链；移动副P采用双排液压缸,既能满足机构轻量化设计要求,又能防止单排液压缸运动时发生扭转；虎克副U使用两个互相垂直的转动铰链；并联机构上端的动平台连接截割头,下端的定平台连接截割臂的叉形架(叉形架将在2.2节给出)。

2.2 4自由度截割臂设计

截割臂用于连接掘进机机身本体,调节截割头的工作姿态并能为截割头工作提供动力；通过液压马达驱动实现掘进机截割臂回转和俯仰运动；依靠截割臂上的电机带动其前端的减速器实现截割头回转,完成纵轴式掘进机破岩工作。

考虑截割臂遮护板遮护面积不足易致使截割臂缺乏保护,结合TRIZ理论[11-12]40条发明原理中的发明原理7:嵌套原理,原理内容为将第1个物体放在第2个物体中,将第2个物体放在第3个物体中,以此类推,达到物体闲置时节约空间的目的。

根据此原理,设计伸缩式遮护板增大截割臂遮护面积。整个截割臂由带有镐齿的截割头、截割头驱动装置、可伸缩遮护板、后护板、并联工作臂及叉形架组成,构成4RPU+R4自由度轻量化结构,如图3所示。

1为截割头；2为伸缩式遮护板；3为后护板；4为截割头驱动装置；5为并联工作臂；6为叉形架
图3 掘进机截割臂结构简图
Fig.3 Structure diagram of cutting arm of roadheader

3 截割特性离散元分析

离散元分析是为具有复杂交互作用的不连续系统提供先进三维模拟的方法,可高效计算并判断三维颗粒之间的接触和表述任意块体之间的接触形式及几何、物理特征,主要应用于岩体破坏、粉末加工、混合搅拌及散体物料的输送和筛分。

3.1 仿真参数设置

采用离散元仿真软件对掘进机截割头进行截割煤岩的离散元分析。具体仿真参数设置步骤如下。

3.1.1 物料定性

查阅相关文献得到煤岩堆积角取值范围为 40°～50°,本次仿真的煤岩堆积角取45°。

3.1.2 全局设置

根据煤岩堆积角调用离散元软件自带的颗粒物料与工程设备参数数据库得到煤岩颗粒和截割头的材料特性及接触参数,如表1所示。

表1 材料参数
Table 1 Material parameters

考虑实际采煤工作面掘进机的截割头会对煤岩进行喷雾降尘,物料会变得潮湿,接触颗粒间在外在水分的作用下会形成一个液桥力,故采用软件自带的JKR接触模型。该接触模型适用于药粉等粉体颗粒和农作物、矿石、泥土等物料,颗粒间因静电力、含湿水分等原因会发生黏结或团聚[13-15],煤岩颗粒之间的表面能设置为500 J/m2,不考虑截割头破岩的磨损情况,煤岩与截割头之间采用无摩擦接触模型。

3.1.3 颗粒模型设置

破碎的煤岩为不规则颗粒,粒径范围一般为 13～50 mm,由于软件的原始颗粒默认是球体,这里采用5个半径为10 mm的球体在空间内拼成一个不规则煤岩颗粒,如图4所示。取粒径比为1.8～2,并计算颗粒质量与体积。

图4 煤岩颗粒模型
Fig.4 Coal rock particle model

3.1.4 几何模型设置

导入截割头三维模型,按照建立的矩形工作面掘进模型添加截割头转动和进给的时间、速度、角速度、转动轴的位置以及采煤工作空间,如图5所示。

图5 几何模型设置
Fig.5 Geometric model settings

3.1.5 颗粒工厂设置

在煤岩工作面内添加虚拟工厂,拟生成4 000个煤岩颗粒,颗粒生成速率为 12 000 s。在煤岩工作面上再添加一个能进行前后、左右振动的装置,保证煤岩在300 J/m2的表面附着力下能稳定填充(该振动装置防止软件仿真时截割头破岩因为重力克服不完全接触的附着力而产生煤岩工作面坍塌,且在煤岩颗粒稳定填充后,及时移走该振动装置,保证煤岩工作面是裸岩,避免阻挡截割头破岩),填充稳定的煤岩工作面如图6所示。此时,截割头靠近煤岩工作面,即将进行破岩运动。导出稳定填充后工作面煤岩颗粒之间接触的法向受力情况,其法向最大压力为116.031 N,最小压力为0.002 6 N,如图7所示。

图6 填充稳定的煤岩工作面
Fig.6 Coal rock working face with stable filling

图7 煤岩颗粒法向受力情况
Fig.7 Normal stress of coal and rock particles

3.2 仿真结果分析

整个离散元仿真过程为15 s,包括煤岩颗粒生成与稳定填充,掘进机截割头破岩的进给、偏转和俯仰运动。

考虑煤岩工作面坍塌与煤岩颗粒滑落,该截割头掘进后的煤岩工作面近似矩形,且经过等效分割计算,掘进成形率达到77.96 %,符合预期效果,验证了4RPU+R一平移3转动4自由度轻量化截割臂截割不同形状煤岩工作面的可行性,如图8所示。截割臂进一步截割可修整该工作面。

图8 截割头掘进后的工作面
Fig.8 Working face after cutting head driving

4 结论

(1)基于机器人拓扑结构理论设计出一平移两转动三自由度并联机构,解决掘进机因截割臂惯性大、结构稳定性差、姿态调节有限而导致工作效率低的问题；运用TRIZ发明创造原理设计伸缩式遮护板,解决遮护板遮护面积不足易致使截割臂缺乏保护的问题。

(2)根据机器人拓扑结构与TRIZ发明创造原理设计出掘进机截割臂；利用离散元数值模拟方法分析了该机构掘进机截割头对煤岩断面成形质量的影响,验证了机构设计的正确性,为掘进机截割部件轻量化设计提供参考。

(3)随着掘进机截割臂零件和结构设计的优化与完善,掘进机工作效率和安全性不断提高。未来,将视觉、力学及温湿度等传感装置应用于矿山机械,有利于提高采掘设备与支护环境的安全性和破岩物料的质量,并能大幅降低劳动力成本,提高经济效益。

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