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1、采煤机导向滑靴力学在线测试与分析 张强 吴泽光 吴泽洋 王海舰 辽宁工程技术大学机械工程学院 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室 四川理工学院材料腐蚀与防护四川省重点实验室 浙江双良汽车零部件有限公司 摘 要： 为了研究采煤机运行时导向滑靴的实时、动态受力情况, 在分析导向滑靴销轴受力特点的基础上, 开发了导向滑靴受力检测系统, 安装与导向滑靴销轴具有等效强度的销轴传感器, 采用无线应变采集模块实现数据的无线传输, 实现不同工况下导向滑靴受力的实时在线检测。现场实验表明, 斜切进刀时, 左、右导向滑靴均承受随机载荷, 2 个连接耳孔处有效载荷分别为 26.1, 15.1 和 45.1,
2、 21.5kN。利用 ANSYS 软件对测试数据进行处理和分析, 得到最大斜切受载时, 采煤机左、右导向滑靴连接耳孔处受力最大, 分别为 173.87, 187.85 MPa。测试与分析结果为导向滑靴的设计优化提供重要的理论和数值依据。关键词： 导向滑靴; 受力分析; 无损检测; 销轴传感器; 有限元分析; 作者简介：张强 (1980) , 男, 辽宁岫岩人, 教授, 博士生导师, 博士, 从事矿山机械动态设计及检测技术研究;E-mail:;http:/orcid.org/0000-0003-1322-4794收稿日期：2016-05-11基金：国家自然科学基金资助项目 (51504121)
3、Research on online testing and analysis of guide foot force of shearerZHANG Qiang WU Ze-guang WU Ze-yang WANG Hai-jian College of Mechanical Engineering, Liaoning Technical University; Zhejiang Shuangliang Auto Parts Co., Ltd.; Abstract： To study the mechanical property of guide foot, the detecting
4、system, which was based on non-destructive testing technology (NDT Tech) , in which the pin sensors was installed with the same strength as the core shaft of guide foots and whose signal was transmitted online by wireless signal launcher, was designed to detect the force of guide foot under differen
5、t conditions online by analyzing the force of the pin.Then the field test showed that, under the condition of oblique cutting, the loads of guide foots were at random, and the effective values of ear-platesloads were 26.1 kN and 15.1 kN in the left guide foot and the right are 45.1 kN and 21.5 kN.By
6、 FEA, its known that the places, where were the maximum stress of the left guide foot and the right one, which were 173.87 MPa and 187.85 MPa, were located at ear-plate of guide foot in the circumstances of maximal force.And testing and analysis results provide substantial theoretical and numerical
7、basis for the design optimization of guide foots.Keyword： guide foot; force analysis; non-destructive testing (NDT) ; pin-axis transducer; finite element analysis (FEA) ; Received： 2016-05-11导向滑靴是采煤机的重要行走支撑部件, 在采煤机工作过程中起导向和承载作用。由于井下开采及运行工况复杂, 采煤机在作业过程中其导向滑靴极易磨损和破坏, 另外, 煤矿井下工作环境恶劣, 作业空间狭窄, 导向滑靴拆装与更换费
8、时、费力, 难度极大, 甚至难以完成, 因此, 深入研究导向滑靴力学在线检测系统可为采煤机导向滑靴改进与优化提供数据基础。目前, 针对导向滑靴寿命的研究已取得一些成果:刘昆明和李玉标等1-2分别从采煤作业的工况以及导向滑靴的结构、工艺等方面入手, 分析了导向滑靴失效的原因, 并提出了相应的改进措施;宋相坤等3研究了采煤机行走系统在复杂地质条件下的受力状况, 给出了大功率采煤机行走系统在复杂地质条件下故障产生的机理;柴蓉霞、贺全智和申磊等4-6利用有限元分析法对工作中导向滑靴的受力状态进行分析, 并结合其实际工况, 分析了导向滑靴失效的原因;戴淑芝等7利用 MATLAB 软件研究导向滑靴受力特性
9、, 对其裂纹进行修复, 并获得延长导向滑靴寿命的方法;郝乐等8利用 ADAMS 对采煤机行走部进行运动学仿真分析, 得出“在采煤机重载时滑靴速度会出现剧烈波动”这一结论;王淑平等9通过研究滑靴运行时的变速特性与其表面磨损间关系, 发现避免采煤机空运行和降低摩擦表面温度均可减缓滑靴磨损;杨晓和赵庆禹等10-14从结构、材料、加工工艺等方面出发, 对导向滑靴进行试验研究, 确定最佳的改进设计方案。上述对导向滑靴的研究主要侧重于 2 个方面:1) 从理论分析与数值分析的角度入手, 对导向滑靴失效原因进行分析;2) 从试验角度出发, 研究结构、材料、加工工艺等对导向滑靴性能的影响, 确定最佳改进设计方
10、案。但是采煤机在实际工况下运行时, 导向滑靴受载复杂, 呈现随机状态, 且其载荷不易获取, 针对这一技术难题, 笔者根据导向滑靴受力特点, 对导向滑靴进行改造, 建立采煤机导向滑靴受力检测系统, 实现对运行状态下采煤机导向滑靴受力状态的实时动态检测, 这对导向滑靴的设计优化以及采煤机多参数综合评价体系的建立具有重要意义。1 受力分析1.1 整机受力分析图 1 为斜切状态下采煤机的整机受力分析, 其中, 采煤机主要承受整机重力, 前、后滚筒三向载荷, 导向滑靴和平滑靴处的支反力, 摩擦力以及采煤机牵引力等作用。根据受力平衡, 即 X=0, Y=0, Z=0, 以及对采煤机重心 O 的力矩平衡,
11、即 M XOY=0, M XOZ=0, M YOZ=0, 得到:图 1 斜切状态下采煤机的整机受力分析 Fig.1 The force analysis of shearer under the condition of oblique cutting 下载原图式中:G 为采煤机重力, N;N i为采煤机导向滑靴、平滑靴对应位置正压力, i=1, 2, , 6, N;fi为采煤机导向滑靴、平滑靴对应位置摩擦阻力, f i=N i ( 为采煤机滑靴摩擦系数) , N;T Y, TZ分别为采煤机单个牵引机构牵引力的水平分力以及垂直分力, N;F X, FY, FZ以及 F X, F Y, F Z分
12、别为采煤机前、后滚筒三向载荷, N;a i, bi, hi分别为采煤机各作用力间的距离, m;, 分别为采煤机前、后摇臂摆角, rad。1.2 导向滑靴受力分析根据式 (1) , 可获得前、后导向滑靴与销排简的支反力 N3, N4, N5, N6以及摩擦力 f3, f4, f5, f6。现分别对前、后导向滑靴进行受力分析, 如图 2 所示, 根据受力平衡条件, 即 Y=0, Z=0, 以及力矩平衡条件, 即 M XOZ=0, M YOZ=0, 得到前、后导向滑靴平衡方程:式中:F Y1, FZ1以及 FY2, FZ2分别为前导向滑靴两耳板处作用力, N;e i为前导向滑靴各作用力间的距离, m
13、;F Y1, F Z1以及 F Y2, F Z2分别为后导向滑靴两耳板处作用力, N。图 2 导向滑靴受力示意图 Fig.2 Forcing analysis of guide foots 下载原图1.3 导向滑靴受力求解利用 MATLAB 程序对公式 (1) 和 (2) 进行求解, 以获取采煤机导向滑靴受力情况, 如图 3 所示。当沿滚筒方向截割载荷一定时, 导向滑靴侧向支反力基本保持不变, 竖直方向支反力与滚筒竖直方向截割载荷、沿刮板方向截割载荷均呈线性变化关系;当滚筒竖直方向截割载荷、沿刮板方向截割载荷一定时, 导向滑靴侧向支反力与沿滚筒方向截割载荷呈线性变化关系, 竖直方向支反力基本保
14、持不变, 其大小分别为 26, 62kN。图 3 三向截割载荷变化时导向滑靴受力情况 Fig.3 The guide foots force with the change of three di-rection cutting loads 下载原图2 在线力学测试系统研究2.1 测试系统原理导向滑靴套于销排之上, 对采煤机采空侧起支撑作用并承受采煤机部分侧向力, 并与行走轮同轴布置, 以防止行走轮与销排啮合时脱开, 在采煤机拐弯时起导向作用, 其装配关系如图 4 所示。图 4 销排-导向滑靴-行走轮间装配关系 Fig.4 The assembly relation of pin track,
15、 guide foot and travel wheel 下载原图导向滑靴销轴是连接导向滑靴、行走轮以及机壳的重要零件, 其受力情况如图5 所示。主要受行走轮作用力 RZ1, RY1与 RZ2, RY2, 导向滑靴两耳板作用力 FY1, FZ1与 FY2, FZ2, 机壳支反力 FY3, FZ3与 FY4, FZ4, 以及销轴轴线方向螺杆作用力FX3与 FX4等作用, 通过分析导向滑靴销轴受力状态便可得到导向滑靴的受力状态。现选取导向滑靴销轴为研究对象, 对其进行受力分析, 如图 5 所示。图 5 导向滑靴销轴受力示意图 Fig.5 The force analysis of the pin
16、in guide foot 下载原图1) 在 ZOX 平面中, 由平衡条件 F X=0, F Z=0 以及 M Z3=0, 可得:式中:l 为机壳支反力 FY3, FY4 (或 FZ3, FZ4) 作用线间的距离, mm;l 1为导向滑靴耳板作用力 FY1 (或 FZ1) 与机壳支反力 FY4 (或 FZ4) 间的距离, mm;l 2为导向滑靴耳板作用力 FY2 (或 FZ2) 与机壳支反力 FY3 (或 FZ3) 间的距离, mm;l 3为行走轮作用力 RZ1 (或 RY1) 与机壳支反力 FY4 (或 FZ4) 间的距离, mm;l 4为行走轮作用力 RZ2 (或 RY2) 与机壳支反力 FY3 (或 FZ3) 间的距离, mm。2) 在 Y 方向, 由平衡条件 F Y=0 以及 M Y3=0, 可得:若利用传感器分别测量出行走轮处作用力 RZ1, RY1与 RZ2, RY2, 机壳处支反力FY
