煤炭采样机采样臂优化设计研究

第32卷第12期煤炭技术VoL32,No. 122013年12期Coal TechnologyDecember,2013煤炭采样机采样臂优化设计研究耿春霞，叶枫(1.扬州商务高等职业学校，江苏扬州225127; 2.扬州市建筑设计研究院，江苏扬州225003)商要:简要地概述了煤炭采样机的工作原理基本结构组成,重点介绍了煤炭采样机采样臂设计的要点。在此基础上运用最优化理论对煤炭采样机采样臂进行了优化设计,以期对当前的煤炭机械采样机采样臂的优化设计有所借鉴。关键词:煤炭采样机;采样臂;优化设计中图分类号:TD40文献标识码:A文章编号:1008 -8725(2013)12-0014-03Coal Sampling Optimization Design of ArmGENG Chun- -xia', YE Feng2( 1.Y angzhou Commercial Higher Vocational School, Yangzhou 225127, China;2.Y angzhou Architecture Design Institute,Y angzhou 225003, China )Abstract:This emphasizes to introduce the key points for designing the sampling arms of the coal:hine. On the basis of this, this paper takes advantage of the optimization theory tosampconduct the optimal design towardssampling arms of the coal sampling machines in order tomake reference for the current optimization and design of the mechanical coal sampling machine.Key words:coal sampling machine; sampling arms; optimal design4现代结构设计在煤矿 机械装备中的应用元法时,就可以得到钢板的应力分布情况。(3 )网络动态和模拟化设计。煤矿技术中的机械装(1)智能和虚拟设计。所谓智能设计就是指通过所备工作环境较为恶劣，并且对其进行研发和试验的周形成的智能结构系统将控制器、传感器以及执行器等期也是很长的,而且其投资的规模也是很大的。如果采用传统的设计方法,不但要花费大量的时间和金钱,同构件进行整合，使整个装备的结构无论是在愈合损伤的时也很难满足快速变化的市场需求，这就会给煤矿生:方面还是适应环境方面都能够产生智能功能，机械装备产企业带来很大的损失，所以，就要应用网络化的设的性能以及安全性都得到了较大的提高,能耗也得到了计,即在煤矿机械的制造生产中应用集设计、研发、制- -定程度的降低。如智能采矿的新技术、机器人技术以造、模拟以及仿真于一体的新型设计理念。机械装备的及红外技术就已经得到了很好的应用,并且这些智能化工作过程是一个动态的过程， 它运用的环境既有正常的机械装备在煤矿生产中也得到广泛的应用。信号也有干扰信号,所以在考虑它们的工作状态时应煤矿机械装备的制作成本都是比较高的，并且这同时兼顾正常信号和干扰信号，应进- - 步加强对动态些装备所工作的环境也是较为复杂的，所以要想在实模拟设计的研究工作。际的生产工作中发现它们存在的问题和缺陷，就只能在使用机械装备的过程中，外界环境的干扰和变通过反复的试验，这对人力以及物力都会造成极大的化也会对装备带来不利的影响,这就要求设计人员应进浪费,为了尽量的降低损耗并控制浪费,有必要采用虚行人机和环境一体化的分析工作，从而最大限度地提拟设计。借用仿真技术模拟机械装备的实际运行状态，高机械系统的整体性能。设计人员同时还要注意环境协这样它们运行环境的参数就会可视化，进行一些机械调设计,既不能过度的浪费资源，又不能污染环境。动力学的虚拟实验，从而达到对机械装备优化设计的目的。另外为了使虚拟样机得到优化，设计人员也可以5结 语根据用户的实际需求对运行参数进行修改。(2 )稳健的机械设计。机械装备所工作的煤矿生产通过以上的论述，机械装备的结构设计工作对提环境是很复杂的，要想保证机械装备的良好运行,就必高机械生产的效率以及降低机械生产的能耗都有着重须具备一个较为稳健的机械设计。而稳健的机械设计要的意义，现阶段很多现代化的设计技术也已经应用就是利用系统的非线性,选择最为合理的可控因素,促到了 煤矿机械设备的设计中了，并且也取得了不错的使机械装备对产品老化以及环境变化等因素达到最不效果。 随着我国科学技术水平的不断进步,更多的先进敏感的程度，使稳定性得到提升。在进行稳健性设计结构设计技 术也会不断出现，设计人员应将先进的设时,应先进行分析和实验,通过分析影响变量的所有因计理念 与智能、数字以及虚拟等前沿技术相结合,应用素,从而获取最佳的参数。到机械装备的生产中去，从而最大限度地提高机械装在众多的工程分析法中,有限元法设计作为一-种非备的性能 和质量。常不错的工程分析法,其不但能够分析厚度突变以及边参考文献:界不规则等受力对象,同时它还能够解决几何非线性等[1] 郑继水.煤矿机械绿色设计与加工的途径D山东煤炭科技,2011一系列的复杂问题。煤矿技术中的机械装备的受力情况2] 李士阳现代设计方法和理论在煤矿机械设计中的应用1煤矿(4):274,276.是很复杂的,所以采用这种方法才能刚好匹配。如在分机械, 2007(4):274,276.析电动挖掘机动臂和斗杆的受力情况时,因为其结构受[3] 温云芳 机械设备的自动化技术应用)煤炭技术,2010(5):25- -27.力的情况复杂,如果是采用工程计算法是根本无法分析(责任编辑 王秀丽)动臂和斗杆中钢板的应力分布情况的,而如果采用有限中国煤化工收稿日期:2013-01-10;修订日期:2013-08-28MHCNM HG作者简介:耿春霞(1968-),女,河南西平人,副教授工程硕士,研究方向:机械电子。第12期耿春霞，等:煤炭采样机采样臂优化设计研究.15.[原体料司一般时间一座分司一再科间0前言图2制样 系统流程分析图煤炭采样是煤炭资源煤质分析中最为重要的环节,采样的质量直接影响煤质分析的效果,而要采取具2煤 炭采样机采样臂结构设计要点有代表性的煤炭样品,就必须提高采样的质量、采样的2.1采样臂采样截面的选择准确度。煤炭采样有人工采样、机械采样两种方式,与采样臂的性能如何直接影响到整个采样机的工作传统的人工采样方式相比,机械采样的质量更好、效率性能,为了尽量降低采样臂的重量,选用箱型的伸缩采更高。但是,现有煤炭采样机械也确实存在着不足之处。样臂比较理想。在优化设计煤炭采样臂时,首先要考虑文中通过对煤炭采样机采样臂进优化设计,来提高我国的就是采样臂应该选择什么样的截面，这是采样臂设煤炭采样的质量采样的效率。计的关键所在。目前比较常见的截面形状主要有矩形、1煤炭采样机工作原理与结构六边形、椭圆形、梯形以及倒梯形等几种形式的截面，其中，六边形的截面与其它几种截面类型相比，伸缩导.1 煤炭采样机的工作原理向性、抗弯曲的能力更好,而且六边形截面上下导向的煤炭采样机的工作原理如下:当运送煤炭的车辆接触面积要大于其它几种形式的截面，使六边形截面停靠到指定的检测位置以后，煤炭采样机通过旋转机可以有效地避免伸缩臂的外表面与基本臂的内表面之械采样臂对已经设置好的采样点进行精确定位，定位间压力 在局部过于集中的情形出现。完成以后，采样头会通过旋转的方式进人运送煤炭的车厢内部。然后,采样臂提升煤样并进行“缩分”,将样品分人料斗进行储存。机械采样臂通过转动装置提升采样头并移动到规定的卸料位置,再打开料斗门,将样品输送到制样系统，然后将样品粉碎“缩分”以后送人图 3煤炭采样机箱型伸 缩采样臂六边形截面结构图煤炭样品收集器,整个采样流程完毕。2.2采样臂 主要尺寸的确定1.2 煤炭采样机的基本结构2.2.1 采样臂设计的主 要技术指标煤炭采样机:主要由制样系统、采样机构底盘系统设煤炭采样机采样臂的最大起升高度为H(单位:m),以及回转机构等四部分组成。其中,采样装置是整个采当 040m时,伸缩臂--般为5性能要求较高;制样系统主要包括破碎机、集样器、缩节。实践中,煤炭勘探、采样器最大起升高度超过40m分器以及集料斗等，主要的功能是对煤炭样品进行破的情形并不多 见，伸缩臂为3~5节的采样机的使用频碎与缩分操作。率比较高。2.2.2采样臂 各部分尺寸的确定采样机工作 主要包括最大采样半径、最小采样半径以及最大采样高度等3个物理量,工况不同,对采样臂尺寸的要求也不同,为了满足最小采样半径，最大采样半径的需求,需要科学地设计各个部分的尺寸。如以煤炭采样最大起升高度25 m为例,可以确定伸缩臂的节数为3~4节,而根据经验来判断,此时采样臂的采样图1煤炭采样机结构示意图半径应该处于3~6m之间，回转的角度亦不得超过300%。同时,为了既满足采样要求又不损害采样机的采(1 )采样机构采样机采样部分主要负责煤炭采样工作，采样臂样头,采样深度最大不能超过2.5m。采样臂各个部分的固定在底盘系统上，大多采用箱式结构,这样便于采样尺寸设计模型如下:(1)满足最大采样半径要求时臂伸缩、移动,而采样头则大多使用螺旋式结构。以煤炭采样最大起升高度9m为例,对煤炭采样(2 )回转结构采样机的回转机构主要是将采样部分与底盘系统臂各个部分的尺寸进行设计、优化。采样臂处于最大采进行连接，而且由于回转机构能够实现120的自由转样半径工况条件下,伸缩臂完全展开,此时,采样机底动,能够对任一点进行煤炭采样。同时,回转机构作为座重心与连接臂之间的夹角为a,设连接臂的长度为采样机各个部分相连的“枢纽”,通过调节回转机构的L2、伸缩臂的基本臂和伸缩节的长度分别为L3,L,可以参数可以获得理想的转动速度,以确保采样机高效精得到方程Lcosa+Ls+L=6确地运行。在采样臂处于最大半径时，设底座的高度为L,采.(3)底盘与制样系统样头的高度为B,采样臂最大采样高度为H,承载采样煤炭采样机底盘系统-般情况下采用轮式结构,机的汽车底盘的高度为H,底座重心与连接臂的夹角这克服了传统的履带式系统行走缓慢的缺点。轮式结大小为β,水平面与采样机伸缩臂的夹角为0,可得方程构机动性、机身稳定性以及路面的适应性比较好,但是，LsinB+(十防滑轮胎的选择是一一个难点。制样系统通过将进人集料中国煤化工斗的煤炭样品进行破碎,然后进人更高- -级的给料机进(2)满足最小多THCNM HG行二次缩分，其主要的工作流程可以用图2表示。. .16.煤炭技术第32卷最小半径工况模式下，伸缩臂此时处于完全收缩的状态,可以得到如下方程L2cosB+Lxcos0=3 .仅仅依靠以上3个方程难以求出各个尺寸变量,实践中,可以采取根据经验值预设部分变量的形式,来确定整个采样臂的各个部分的尺寸,但是,由于需要大图5煤炭采样机回转结构部分转 动方案基本构成图量的经验数据作为支撑，这种设计模式的局限性比较明显,尤其是针对采样臂各个部分的稳定性强度以及构,这与采样机的压力承载、转动范围较大有关。通过高度的设计,涉及到材料力学、机械力学的知识。查阅国内外相关的文献资料，对比各种滚动式回转平(3 )采样臂尺寸的优化设计台性能发现，单排四点接触球式由于其具有均衡承载仅仅依靠上面提到的4个方程难以求出所有的变负荷、回转相对比较灵活、采样速度较快以及运行平稳量,需要借助目标函数、设置新的变量才能求出煤炭采的特点,因此,文中以最大提升高度为9 m、单排四点接样机采样臂各个部分的尺寸。将各个采样臂各个部分触式采样回转结构为例进行分析。四点接触滚球式回的长度向量化可以得到转结构中心直径(滚动部分)选择1 m为宜，而滚动体的U=[U,U,U,U]"=[L,LzL;L]"将采样臂的各个部分长度的和设为L,则可以得直径则设计为42m,另外,轴承的高度H=80 m,接触角一般设计为45到目标函数另外，回转平台作为整个采样机的主要负荷承载L=L:+L2+L3+L4部分，其主要的作用是将采样臂的重量通过各个支腿再以前文4个公式为约束条件,则可以得到优化传递到地面。回转平台结构设计见图6所示。Minf(L)=L+Lz+Ls+L4则该采样机采样臂的约束条件必须要满足LxcosB+Lscos0=33Lxcosa+Ls+L=6 .LsinB+(Ls+Ly)sin0+L.+H=123-19由此可见，采样机采样臂的最优化问题为非线性条件下的约束优化设计，借助于计算机运用Fmincon进行函数求解就可以求出采样机采样臂各个部分的长度。运用MATLAB程序经过七次迭代计算,最后该雨数会逐渐趋于收敛，可以得到采样臂各个部分尺寸的长度。在设计不同采样高度的采样臂时,只需要将长度，图6煤炭采样机回转平台结构图L代人即可，经过以上分析可知,运用MATLAB程序作为采样与采样臂的优化设计不同，煤炭采样机回转平台臂长度优化设计的辅助工具,整个计算过程比较简明、设计的主要目的是确保结构合理、满足转动功能需求，快捷高效,是解决机械设计最优化问题的有效工具。使其既能够比较容易地放置回转马达，也能够进行回转支撑的安装。然而,提升高度不同,对采样机回转部(4 )煤炭采样机采样臂结构的优化设计流程分的设计要求也有所不同,实践中,可以根据回转阻力对煤炭采样机采样臂结构进行优化设计:可以运要求来计算最佳的尺 寸设计以及最大转动速度。与优用ANSYS程序进行循环设计,经过系统的分析.评估、化之前 相比，优化后的煤炭采样机可以比较便利地完修正再分析的过程,得出理想的“结论”。采样臂结构成多点采样， 克服了以往采样机受地域限制的不足之的优化设计基本流程如图4所示。处。借助流动的采样平台，优化以后的采样机可以随生成国环文件一确定优化参物一运期OPT分析处理文件时、随地的完成采样任务。明响优化交量4结论煤炭采样机采样臂的优化设计与其工作效率密切确定优化工具，族相关,只有采样臂的高度、长度等都能满足采样功能需要,才能真正地实现采样臂优化设计的目标。通过文中I相由优化结论-进优化分析，一 树定优化热制方式的研究,以采样机最大采样高度9 m为例,研究分析了图4采样机采样臂结构优化设计 流程分析图煤炭采样机采样臂的优化设计问题，并运用MATLAB确定采样臂结构优化设计的流程以后要对采样臂程序对采样臂 各个部分的尺寸进行了分析，这对于促结构的刚度强度以及稳定性进行分析，必须建立有限进煤 炭采样机采样臂的优化设计、实现最高的性价比元分析模型，以满足采样臂结构最优，满足刚度强度以具有 一定的借鉴价值。及稳定性要求的条件下,确保采样臂的‘质量”最小。参考文献:[] 钱光浩.基于ANSYS的龙门]起重机门架结构动态设计与优化研3煤 炭采样机回转结构部分设计王小强车载钻机车架优化设计[D]武汉理工大学,2010.煤炭采样机回转结构设计也是重要的环节,回转[3]闵希 春.H8800圆锥破碎机关键部件的有限元分析[D].沈阳:东结构设计是否合理直接与采样机的运转效率有关。绝北大学,2011.[4]卢雄伟.8-3 m矿用挖掘机工作装置优化设计及结构强度分析大多数煤炭采样机回转机构可以用图5表示。(D].长春:吉林大煤炭采样机回转支撑结构主要有转盘式、立柱式[5] 李鹏.300固定式中国煤化工分析(DI.长两种形式，转盘式又可以分为滚动轴承式与支撑滚轮春:吉林大学2008.HCNMHG王秀丽)式两种结构。其中,煤炭采样机大多采用滚动式支撑结