采煤机拖缆装置结构优化设计及仿真分析

所属分类：建筑论文阅读次时间：2019-12-18 11:07

本文摘要：摘要：拖缆装置广泛应用于采煤工作面，用于保护和拖动供电电缆及外部高压水管。从目前的使用情况来看，拖缆装置仍存在保护失效、电缆夹板偏移、不同类型的电缆夹板不能转接等缺陷，影响了煤矿的安全和高效生产要求。因此，依据采煤工作面的施工工艺要求，对

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　　摘要：拖缆装置广泛应用于采煤工作面，用于保护和拖动供电电缆及外部高压水管。从目前的使用情况来看，拖缆装置仍存在保护失效、电缆夹板偏移、不同类型的电缆夹板不能转接等缺陷，影响了煤矿的安全和高效生产要求。因此，依据采煤工作面的施工工艺要求，对现有的拖缆装置结构进行优化设计，并通过运动学仿真分析验证结构设计的合理性。优化后的拖缆装置避免了电缆夹板偏移现象、保护失效等问题，降低了采煤机的故障率，保证了采煤工作面的安全生产进程。

　　关键词：拖缆装置,结构优化,转动臂

山西煤炭

　　引言

　　采煤机是煤炭开采的关键设备，在综采工作面担负着割煤及装煤的重任，电缆作为传输动力的关键媒介，其可靠性对采煤机的正常生产有着至关重要的影响。主电缆直径的大小与采煤机的功率呈正比例，通常主电缆直径越大其弯曲半径越小，造成主电缆发生折断现象的频率增加;而当采煤机处在反复调向过程中，由于电缆夹的移动与采煤机不同步，易造成电缆夹憋卡从而引起水管、电缆破裂等问题[1]。

　　现有综采工作面设置拖揽装置对主电缆及外接高压水管进行防护，但在应用过程中仍然存在电缆夹板偏移、保护失效、电缆夹板故障等缺陷[2]。为了满足煤矿智能化开采、减少设备故障率等要求，对采煤机拖缆的结构进行优化设计，避免电缆损坏，保证综采工作面的正常生产。

　　1拖缆装置总体结构优化设计

　　针对现有拖缆装置的缺点，本文拖缆装置的结构进行优化设计。该拖缆装置和电缆槽协同配合，保证采煤机在不同工作位置时，割煤及装煤顺利进行。在空间上，这种新型拖缆装置能够满足采煤工作面的工艺要求，不与其它装置产生刮蹭、干涉。功能上，在保证主电缆和采煤机同步协调运行的前提下，对主电缆和高压水管进行防护;采煤机和拖缆装置之间的拖缆高度依据实际工况进行调整。以M为圆心，在最低位置B与最高位置A之间进行高度调整。

　　2拖缆装置伸缩臂的设计

　　拖缆装置结构中伸缩臂作为调节其横向移动的主要部件，在电缆及水管的拖拽过程中要确保调节精度高、快速调整的要求。主要由拖缆架、液压缸、轨道等部件构成。导轨使用加厚的T型钢以提高使用寿命，考虑到制造工艺及成本，采用焊接的方式连接导轨和拖缆架，轨道固连在采煤机牵引部，为保证调节精度，将伸缩位移传感器安装在液压缸内部，其抗污染能力强，易于维护。拖缆装置中导轨是主要承载部件，其强度将影响拖缆装置的使用安全性。因此使用仿真分析软件对其强度进行校核。在最大受力工况下，导轨和拖缆架的最大应力为75.3MPa，小于屈服强度345MPa(材质为Q345E)，满足使用要求且具有较大的安全裕量。

　　3拖缆装置转动臂的设计

　　通过调节转动臂的高度可实现拖缆高度的调整。转动臂主要由液压回转驱动器、摇臂以及拖缆轮等部件组成。液压回转驱动器采用单蜗杆回转驱动方式，具有减速、驱动及回转功能，其结构简单、易于维护;摇臂与拖缆轮的转轴连接，摇臂的摆动角范围在15°～75°之间，在实现拖缆高度调整的同时，亦具有抬起电缆及水管弯曲严重部分的作用，起到防护电缆及水管不被损坏。为了降低整体重量且增加拖缆轮的耐磨性，拖缆轮的材质选用聚合塑料尼龙。

　　4拖缆装置运动学分析

　　优化后的拖缆装置方案，解决了电缆和水管的保护和拖动问题。但在实际应用过程中，电缆在采煤机工作时仍会存在被电缆夹板卡死的现象，导致电缆夹板局部应力过大，因此应力超过材料的屈服极限，电缆夹板就会断裂。为了降低因电缆夹板断裂而导致电缆及水管受到损害的机率，对拖缆装置进行运动学分析就显得尤为必要。

　　在采煤机工作过程中，拖缆装置相对于自身坐标系的位置和运动由伸缩臂及旋转臂实现。而当采煤机在牵引刮板输送机时，拖缆装置相对于工作面空间坐标系的位置也是动态变化的，其运动参数取决于采煤机的牵引运动方式。基于提升计算精度的考虑，依据优化后的连接方式在MATLABRobotics确定坐标系，即刮板输送机和采煤机之间的连接为移动关节，拖缆架与液压缸和导轨之间的连接同样为移动关节，而拖缆架与摇臂之间的连接则为转动关节，还需要在拖缆架及导轨的连接中增设一个转动关节[3]。仿真分析结果表明，拖缆装置中各关节变量及时间的关系与实际运行中相符合，同时摇臂的运动轨迹亦能满足拖缆装置高度调整的要求，验证了优化后拖缆装置结构的合理性。

　　5结论

　　文章在分析现有拖缆装置缺点的基础上，对拖缆装置的结构进行了优化设计。在介绍拖缆装置中伸缩臂和转动臂的结构的基础上，利用仿真软件对极限工况下伸缩臂的受力状态进行有限元分析，其计算结果表明其满足使用要求且具有较大的安全裕量。同时采用MATLABRobotics建立拖缆装置的运动仿真模型，得到拖缆装置中各关节变量与时间的关系曲线图，以及摇臂的运动轨迹，验证了优化后拖缆装置结构设计的合理性。

　　参考文献

　　[1]王宝廷.大采高综采工作面采煤机配套选型与参数计算[J].山西煤炭，2014，34(5)：46-48.

　　[2]王华平，秦书明.采煤机托缆装置的改进与应用[J].山西煤炭，2014，34(6)：54-55.

　　[3]左富勇，胡小平，谢珂.基于MATLABRobotics工具箱的SCARA机器人轨迹规划与仿真[J].机械工程师，2012，27(2)：41-44.

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