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1、30煤矿机电2004年第5期文章编号:1001-0874(2004)05-0030-04掘进机截割头运动参数的优化设计张鑫,李新平(山东科技大学机械电子工程学院,山东泰安271019)摘要:根据单个截齿受力模型,采用计算机模拟的方法建立了基于截割头负载转矩波动和截割比能耗最小的优化设计数学模型,寻求最优的掘进机运动参数。根据序列二次规划(SQP)优化方法,编写了优化设计程序。优化设计实例表明,截割头的负载转矩变差系数减小了13.9%,截割比能耗降低了16.9%,有效改善了截割电机的负载特性,提高了能量利用率。关键词:掘进机;截割
2、头;优化设计;变差系数;比能耗中图分类号:TD421.5文献标识码:AOptimizedDesignofKinematicParametersofCuttingHeadforRoadheadersZHANGXin,LIXin-ping(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering,ShandongUniversityofScienceandTechnology,Taian271019,China)Abstract:Accordingtothemechanicsmodelofsinglepick,thema
3、thematicmodelofoptimizeddesignbasedonloadtorquefluctuationandspecificenergyconsumptionofcuttingheadisbuilttosearchoptimumkinematicparametersofroadheaderbymeansofcomputersimulation.Theoptimumdesignprogramisdevelopedbasedonseriesquadraticprogramming(SQP)optimummethod.Theoptimumdesig
4、nexampleshowsthatthevariationcoefficientofloadtorqueactingoncuttingheadisdecreased13.9%,andspecificenergyconsumptionislowered16.9%,whichefficientlyimprovestheloadcharacteristicofcuttingmotorandincreasestheratioofenergyutilization.Keywords:roadheader;cuttinghead;optimizeddesign;va
5、riationcoefficient;specificenergyconsumption掘进机的截割头所消耗的功率占整个掘进机功1掘进机截割头横摆工况的载荷模拟率的60%以上。由于作用在截割头上的载荷存在剧烈的波动,使驱动截割头的截割电机的工况极为如图1所示,截割头横摆截割时,截割头以转速恶劣,影响了电机性能的发挥。现场测试数据显示,n作旋转运动,同时绕掘进机回转中心以速度v水掘进机截割头的运动参数(横摆速度v和转速n)对平摆动,由安装在其壳体上的截齿进行截割,切屑断截割头的载荷波动和截割比能耗都有显著的影面近似月牙形。显然,在不同截割位置,截齿的实
6、际[1]响。本文从改善截割电机负载特性和降低能耗切屑厚度不同,受力也不同。截齿处于不同位置时的角度出发,利用计算机模拟的方法建立优化设计的实际切屑厚度可由下式得出:数学模型,以截割头负载转矩波动和截割比能耗最100vhi=sini[1]nm小作为目标函数,寻求最优的截割头运动参数。式中:m每条截线的截齿数;2004年第5期煤矿机电31v截割头的横摆速度;2nMcHw=[4]n截割头的转速;vSi截齿的位置角。式中:S截割头纵截面面积。在每一瞬时,处于截割区的所有截齿受力的矢根据上述分析和相关计算公式,编制的
7、截割头量和就是作用在截割头上的载荷。采用图1所示的载荷模拟程序如图2所示。Oabc三维正交坐标系,截割头所受的载荷是一个空间力系,包括沿三个坐标轴的力Ra、Rb、Rc和绕三个坐标轴的力矩Ma、Mb、Mc。其中Mc是对截割电机正常工作影响最大的载荷,称为负载转矩。任意时刻截割头处于某一位置时负载转矩的计算公式为:nMc=(ZiRi)[2]i=1图2截割头载荷模拟程序2掘进机截割头运动参数优化设计的数学模型图1截割头横摆截割受力图(1)设计变量的选择在不改变掘进机其他结构参数的前提下,将截式中:n处于截割区参与截割的截齿数;割头的横摆速度v和转速n
8、作为设计变量。用向Ri截齿齿尖回转半径;量表示为:Zi单个截齿
