輕量化掘進(jìn)機(jī)截割臂工作性能的離散元分析

王成軍，嚴(yán) 晨，王 浩

(1.深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,淮南 232001)

煤炭是全球最重要的基礎(chǔ)能源,也是中國(guó)最主要的一次能源,主要依靠部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)進(jìn)行采掘[1-2]。其中,縱軸式部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)截割臂的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)采煤的效率及自身工作壽命影響極大。中外許多專家和學(xué)者對(duì)截割臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)分析進(jìn)行了研究。宗凱等[3]通過(guò)建立掘進(jìn)機(jī)截割臂擺角跳動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型,得到截割頭載荷與截割臂驅(qū)動(dòng)油缸壓力及截割臂擺角之間的關(guān)系；李旭等[4]基于微分幾何理論建立掘進(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并利用牛頓迭代數(shù)值求解方法和 MATLAB 軟件驗(yàn)證了微分幾何法用于提高掘進(jìn)機(jī)截割斷面成形質(zhì)量的可靠性；王蘇彧等[5]通過(guò)分析煤巖硬度與截割臂擺速、截割電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系,初步搭建了掘進(jìn)機(jī)自主截割控制系統(tǒng)；劉煒煌等[6]利用Abaqus軟件建立雙齒截割煤巖的模擬模型,并找到雙齒截割煤巖時(shí)最佳截線間距與切削厚度的組合；Dewangan等[7]通過(guò)切削量、齒尖溫度和截齒磨損量3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)兩種不同材料的截齒進(jìn)行對(duì)比,確定兩種截齒在直線截割條件下的最佳傾斜角度；Grima等[8]指出,與大氣環(huán)境條件下相比,高壓條件下切削力會(huì)因膨脹而增大,壓實(shí)而降低,且高壓下巖石的截割過(guò)程呈現(xiàn)明顯的塑性斷裂模式。

現(xiàn)運(yùn)用機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論和發(fā)明創(chuàng)造理論(theory of inventive problem solving,TRIZ)對(duì)縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭的工作臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)[9],利用離散元方法分析該機(jī)構(gòu)掘進(jìn)機(jī)截割頭對(duì)煤巖斷面成形質(zhì)量的影響,驗(yàn)證機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性,為掘進(jìn)機(jī)截割部件輕量化設(shè)計(jì)提供參考,并對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的優(yōu)化和支護(hù)環(huán)境的改善提出展望。

1 截割臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

截割臂是縱軸式掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分,直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)能力和生產(chǎn)安全,但在使用過(guò)程中常因截割臂笨重、截割頭姿態(tài)調(diào)節(jié)有限等原因,致使其存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、系統(tǒng)慣性大、動(dòng)力性能不好、工作效率低、截割臂缺乏保護(hù)等問(wèn)題,故設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、遮護(hù)面積大的的輕量化截割臂。

1.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

截割臂質(zhì)量過(guò)大易導(dǎo)致截割臂系統(tǒng)慣性過(guò)度,在不影響掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下,對(duì)截割臂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),增加截割頭的姿態(tài)調(diào)節(jié)空間與運(yùn)動(dòng)自由度,截割臂驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用4RPU一平移兩轉(zhuǎn)動(dòng)3自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)方式為液壓馬達(dá),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 并聯(lián)工作臂機(jī)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of parallel working arm mechanism

并聯(lián)工作臂的機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10]為

4-SOC{-R(⊥P)‖(R⊥R)-}PM

(1)

式(1)中:SOC表示運(yùn)動(dòng)單開(kāi)鏈；R表示轉(zhuǎn)動(dòng)副；P表示移動(dòng)副；PM表示并聯(lián)機(jī)構(gòu)。

1.2 并聯(lián)工作臂自由度計(jì)算

由圖1可知,并聯(lián)工作臂由左右、前后兩兩對(duì)稱布置的RPU結(jié)構(gòu)的支鏈組成,U表示萬(wàn)向節(jié)(等價(jià)于兩個(gè)相互垂直的R副)。4條支鏈的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為

SOC{-Ri1(⊥Pi2)‖(Ri3⊥Ri4)-},

i=1,2,3,4

(2)

4條支鏈末端構(gòu)件POC集為

(3)

式(3)中:Ri1表示第i條支鏈定平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)副；Pi2第i條支鏈的移動(dòng)副；Ri3和Ri4共同組成第i條支鏈的萬(wàn)向節(jié)U；t3表示末端構(gòu)件存在三維移動(dòng)；r2表示在平面內(nèi)存在二維轉(zhuǎn)動(dòng)；Mbi表示第i條支鏈末端構(gòu)件的POC集(方位特征集)。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)獨(dú)立回路的個(gè)數(shù)為3,設(shè)第1個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)ζ1,則第1個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)為

ζ1=dim{Mb1∪Mb2}

(4)

式(4)中:dim.表示獨(dú)立回路的維度。

(5)

第1、2條支鏈組成的子并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的POC集為

(6)

設(shè)第2個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)ζ2,則第2個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)為

(7)

(8)

第1、2、3條支鏈組成的子并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的POC集為

Mpa(1-3)=Mpa(1-2)∩Mb3=

(9)

設(shè)第3個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)ζ3,則第3個(gè)獨(dú)立回路的獨(dú)立位移方程數(shù)為

ζ3=dim.{Mpa(1-3)∪Mb4}

(10)

8月31日，康樸（中國(guó)）川渝大區(qū)二級(jí)商招商會(huì)暨特肥新品發(fā)布會(huì)在眉山召開(kāi)。據(jù)悉，本次發(fā)布會(huì)旨在推進(jìn)康樸（中國(guó)）特肥在川渝大區(qū)的戰(zhàn)略合作項(xiàng)目，將全球頂級(jí)的高端產(chǎn)品和先進(jìn)的肥料“減量增效”技術(shù)帶到川渝地區(qū)。

(11)

則并聯(lián)工作臂(4RPU)的自由度為

(12)

式(12)中:F為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的自由度；fi為支鏈中運(yùn)動(dòng)副的自由度,由于每條支鏈中運(yùn)動(dòng)副的自由度相同,故fi=4。

第1、2、3、4條支鏈組成的并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的POC集為

(13)

基于消極運(yùn)動(dòng)副判定準(zhǔn)則,該機(jī)構(gòu)不含消極運(yùn)動(dòng)副。由并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)平臺(tái)的方位特征集Mpa,該機(jī)構(gòu)在R11和R31副的兩軸線公垂線方向,存在一個(gè)獨(dú)立移動(dòng),沿著R11和R31副的兩軸線方向存在兩個(gè)獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng),即并聯(lián)工作臂的自由度是一平移兩轉(zhuǎn)動(dòng)。

基于運(yùn)動(dòng)副判斷準(zhǔn)則,該機(jī)構(gòu)的4個(gè)P副可同時(shí)為驅(qū)動(dòng)副,即采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)滿足工作要求。

2 截割臂模型建立

2.1 并聯(lián)工作臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用CREO 2.0軟件建立截割臂三維模型,為了便于理解截割臂的零件結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式,利用CAD軟件導(dǎo)出截割臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,如圖2所示。

1為并聯(lián)工作臂動(dòng)平臺(tái)；2為萬(wàn)向節(jié)；3為雙排液壓缸；4為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈；5為定平臺(tái)圖2 并聯(lián)工作臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structural diagram of parallel working arm

根據(jù)并聯(lián)工作臂驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出掘進(jìn)機(jī)一平移兩轉(zhuǎn)動(dòng)3自由度并聯(lián)工作臂,該機(jī)構(gòu)由4個(gè)相同的單開(kāi)鏈并聯(lián)而成,每個(gè)單開(kāi)鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)副R采用一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈；移動(dòng)副P采用雙排液壓缸,既能滿足機(jī)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)要求,又能防止單排液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)；虎克副U使用兩個(gè)互相垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈；并聯(lián)機(jī)構(gòu)上端的動(dòng)平臺(tái)連接截割頭,下端的定平臺(tái)連接截割臂的叉形架(叉形架將在2.2節(jié)給出)。

2.2 4自由度截割臂設(shè)計(jì)

截割臂用于連接掘進(jìn)機(jī)機(jī)身本體,調(diào)節(jié)截割頭的工作姿態(tài)并能為截割頭工作提供動(dòng)力；通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割臂回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)；依靠截割臂上的電機(jī)帶動(dòng)其前端的減速器實(shí)現(xiàn)截割頭回轉(zhuǎn),完成縱軸式掘進(jìn)機(jī)破巖工作。

考慮截割臂遮護(hù)板遮護(hù)面積不足易致使截割臂缺乏保護(hù),結(jié)合TRIZ理論[11-12]40條發(fā)明原理中的發(fā)明原理7:嵌套原理,原理內(nèi)容為將第1個(gè)物體放在第2個(gè)物體中,將第2個(gè)物體放在第3個(gè)物體中,以此類推,達(dá)到物體閑置時(shí)節(jié)約空間的目的。

根據(jù)此原理,設(shè)計(jì)伸縮式遮護(hù)板增大截割臂遮護(hù)面積。整個(gè)截割臂由帶有鎬齒的截割頭、截割頭驅(qū)動(dòng)裝置、可伸縮遮護(hù)板、后護(hù)板、并聯(lián)工作臂及叉形架組成,構(gòu)成4RPU+R4自由度輕量化結(jié)構(gòu),如圖3所示。

1為截割頭；2為伸縮式遮護(hù)板；3為后護(hù)板；4為截割頭驅(qū)動(dòng)裝置；5為并聯(lián)工作臂；6為叉形架圖3 掘進(jìn)機(jī)截割臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Structure diagram of cutting arm of roadheader

3 截割特性離散元分析

離散元分析是為具有復(fù)雜交互作用的不連續(xù)系統(tǒng)提供先進(jìn)三維模擬的方法,可高效計(jì)算并判斷三維顆粒之間的接觸和表述任意塊體之間的接觸形式及幾何、物理特征,主要應(yīng)用于巖體破壞、粉末加工、混合攪拌及散體物料的輸送和篩分。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)置

采用離散元仿真軟件對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭進(jìn)行截割煤巖的離散元分析。具體仿真參數(shù)設(shè)置步驟如下。

3.1.1 物料定性

查閱相關(guān)文獻(xiàn)得到煤巖堆積角取值范圍為 40°～50°,本次仿真的煤巖堆積角取45°。

3.1.2 全局設(shè)置

根據(jù)煤巖堆積角調(diào)用離散元軟件自帶的顆粒物料與工程設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)得到煤巖顆粒和截割頭的材料特性及接觸參數(shù),如表1所示。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameters

考慮實(shí)際采煤工作面掘進(jìn)機(jī)的截割頭會(huì)對(duì)煤巖進(jìn)行噴霧降塵,物料會(huì)變得潮濕,接觸顆粒間在外在水分的作用下會(huì)形成一個(gè)液橋力,故采用軟件自帶的JKR接觸模型。該接觸模型適用于藥粉等粉體顆粒和農(nóng)作物、礦石、泥土等物料,顆粒間因靜電力、含濕水分等原因會(huì)發(fā)生黏結(jié)或團(tuán)聚[13-15],煤巖顆粒之間的表面能設(shè)置為500 J/m2,不考慮截割頭破巖的磨損情況,煤巖與截割頭之間采用無(wú)摩擦接觸模型。

3.1.3 顆粒模型設(shè)置

破碎的煤巖為不規(guī)則顆粒,粒徑范圍一般為 13～50 mm,由于軟件的原始顆粒默認(rèn)是球體,這里采用5個(gè)半徑為10 mm的球體在空間內(nèi)拼成一個(gè)不規(guī)則煤巖顆粒,如圖4所示。取粒徑比為1.8～2,并計(jì)算顆粒質(zhì)量與體積。

圖4 煤巖顆粒模型Fig.4 Coal rock particle model

3.1.4 幾何模型設(shè)置

導(dǎo)入截割頭三維模型,按照建立的矩形工作面掘進(jìn)模型添加截割頭轉(zhuǎn)動(dòng)和進(jìn)給的時(shí)間、速度、角速度、轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置以及采煤工作空間,如圖5所示。

圖5 幾何模型設(shè)置Fig.5 Geometric model settings

3.1.5 顆粒工廠設(shè)置

在煤巖工作面內(nèi)添加虛擬工廠,擬生成4 000個(gè)煤巖顆粒,顆粒生成速率為 12 000 s。在煤巖工作面上再添加一個(gè)能進(jìn)行前后、左右振動(dòng)的裝置,保證煤巖在300 J/m2的表面附著力下能穩(wěn)定填充(該振動(dòng)裝置防止軟件仿真時(shí)截割頭破巖因?yàn)橹亓朔煌耆佑|的附著力而產(chǎn)生煤巖工作面坍塌,且在煤巖顆粒穩(wěn)定填充后,及時(shí)移走該振動(dòng)裝置,保證煤巖工作面是裸巖,避免阻擋截割頭破巖),填充穩(wěn)定的煤巖工作面如圖6所示。此時(shí),截割頭靠近煤巖工作面,即將進(jìn)行破巖運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)出穩(wěn)定填充后工作面煤巖顆粒之間接觸的法向受力情況,其法向最大壓力為116.031 N,最小壓力為0.002 6 N,如圖7所示。

圖6 填充穩(wěn)定的煤巖工作面Fig.6 Coal rock working face with stable filling

圖7 煤巖顆粒法向受力情況Fig.7 Normal stress of coal and rock particles

3.2 仿真結(jié)果分析

整個(gè)離散元仿真過(guò)程為15 s,包括煤巖顆粒生成與穩(wěn)定填充,掘進(jìn)機(jī)截割頭破巖的進(jìn)給、偏轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)。

考慮煤巖工作面坍塌與煤巖顆?；?該截割頭掘進(jìn)后的煤巖工作面近似矩形,且經(jīng)過(guò)等效分割計(jì)算,掘進(jìn)成形率達(dá)到77.96 %,符合預(yù)期效果,驗(yàn)證了4RPU+R一平移3轉(zhuǎn)動(dòng)4自由度輕量化截割臂截割不同形狀煤巖工作面的可行性,如圖8所示。截割臂進(jìn)一步截割可修整該工作面。

圖8 截割頭掘進(jìn)后的工作面Fig.8 Working face after cutting head driving

4 結(jié)論

(1)基于機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)出一平移兩轉(zhuǎn)動(dòng)三自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu),解決掘進(jìn)機(jī)因截割臂慣性大、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、姿態(tài)調(diào)節(jié)有限而導(dǎo)致工作效率低的問(wèn)題；運(yùn)用TRIZ發(fā)明創(chuàng)造原理設(shè)計(jì)伸縮式遮護(hù)板,解決遮護(hù)板遮護(hù)面積不足易致使截割臂缺乏保護(hù)的問(wèn)題。

(2)根據(jù)機(jī)器人拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與TRIZ發(fā)明創(chuàng)造原理設(shè)計(jì)出掘進(jìn)機(jī)截割臂；利用離散元數(shù)值模擬方法分析了該機(jī)構(gòu)掘進(jìn)機(jī)截割頭對(duì)煤巖斷面成形質(zhì)量的影響,驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性,為掘進(jìn)機(jī)截割部件輕量化設(shè)計(jì)提供參考。

(3)隨著掘進(jìn)機(jī)截割臂零件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化與完善,掘進(jìn)機(jī)工作效率和安全性不斷提高。未來(lái),將視覺(jué)、力學(xué)及溫濕度等傳感裝置應(yīng)用于礦山機(jī)械,有利于提高采掘設(shè)備與支護(hù)環(huán)境的安全性和破巖物料的質(zhì)量,并能大幅降低勞動(dòng)力成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。