煤炭采樣機采樣臂優(yōu)化設計研究

第32卷第12期煤炭技術(shù)VoL32,No. 122013年12期Coal TechnologyDecember,2013煤炭采樣機采樣臂優(yōu)化設計研究耿春霞，葉楓(1.揚州商務(wù)高等職業(yè)學(xué)校，江蘇揚州225127; 2.揚州市建筑設計研究院，江蘇揚州225003)商要:簡(jiǎn)要地概述了煤炭采樣機的工作原理基本結構組成,重點(diǎn)介紹了煤炭采樣機采樣臂設計的要點(diǎn)。在此基礎上運用最優(yōu)化理論對煤炭采樣機采樣臂進(jìn)行了優(yōu)化設計,以期對當前的煤炭機械采樣機采樣臂的優(yōu)化設計有所借鑒。關(guān)鍵詞:煤炭采樣機;采樣臂;優(yōu)化設計中圖分類(lèi)號:TD40文獻標識碼:A文章編號: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現代結構設計在煤礦 機械裝備中的應用元法時(shí),就可以得到鋼板的應力分布情況。(3 )網(wǎng)絡(luò )動(dòng)態(tài)和模擬化設計。煤礦技術(shù)中的機械裝(1)智能和虛擬設計。所謂智能設計就是指通過(guò)所備工作環(huán)境較為惡劣，并且對其進(jìn)行研發(fā)和試驗的周形成的智能結構系統將控制器、傳感器以及執行器等期也是很長(cháng)的,而且其投資的規模也是很大的。如果采用傳統的設計方法,不但要花費大量的時(shí)間和金錢(qián),同構件進(jìn)行整合，使整個(gè)裝備的結構無(wú)論是在愈合損傷的時(shí)也很難滿(mǎn)足快速變化的市場(chǎng)需求，這就會(huì )給煤礦生:方面還是適應環(huán)境方面都能夠產(chǎn)生智能功能，機械裝備產(chǎn)企業(yè)帶來(lái)很大的損失，所以，就要應用網(wǎng)絡(luò )化的設的性能以及安全性都得到了較大的提高,能耗也得到了計,即在煤礦機械的制造生產(chǎn)中應用集設計、研發(fā)、制- -定程度的降低。如智能采礦的新技術(shù)、機器人技術(shù)以造、模擬以及仿真于一體的新型設計理念。機械裝備的及紅外技術(shù)就已經(jīng)得到了很好的應用,并且這些智能化工作過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程， 它運用的環(huán)境既有正常的機械裝備在煤礦生產(chǎn)中也得到廣泛的應用。信號也有干擾信號,所以在考慮它們的工作狀態(tài)時(shí)應煤礦機械裝備的制作成本都是比較高的，并且這同時(shí)兼顧正常信號和干擾信號，應進(jìn)- - 步加強對動(dòng)態(tài)些裝備所工作的環(huán)境也是較為復雜的，所以要想在實(shí)模擬設計的研究工作。際的生產(chǎn)工作中發(fā)現它們存在的問(wèn)題和缺陷，就只能在使用機械裝備的過(guò)程中，外界環(huán)境的干擾和變通過(guò)反復的試驗，這對人力以及物力都會(huì )造成極大的化也會(huì )對裝備帶來(lái)不利的影響,這就要求設計人員應進(jìn)浪費,為了盡量的降低損耗并控制浪費,有必要采用虛行人機和環(huán)境一體化的分析工作，從而最大限度地提擬設計。借用仿真技術(shù)模擬機械裝備的實(shí)際運行狀態(tài)，高機械系統的整體性能。設計人員同時(shí)還要注意環(huán)境協(xié)這樣它們運行環(huán)境的參數就會(huì )可視化，進(jìn)行一些機械調設計,既不能過(guò)度的浪費資源，又不能污染環(huán)境。動(dòng)力學(xué)的虛擬實(shí)驗，從而達到對機械裝備優(yōu)化設計的目的。另外為了使虛擬樣機得到優(yōu)化，設計人員也可以5結 語(yǔ)根據用戶(hù)的實(shí)際需求對運行參數進(jìn)行修改。(2 )穩健的機械設計。機械裝備所工作的煤礦生產(chǎn)通過(guò)以上的論述，機械裝備的結構設計工作對提環(huán)境是很復雜的，要想保證機械裝備的良好運行,就必高機械生產(chǎn)的效率以及降低機械生產(chǎn)的能耗都有著(zhù)重須具備一個(gè)較為穩健的機械設計。而穩健的機械設計要的意義，現階段很多現代化的設計技術(shù)也已經(jīng)應用就是利用系統的非線(xiàn)性,選擇最為合理的可控因素,促到了 煤礦機械設備的設計中了，并且也取得了不錯的使機械裝備對產(chǎn)品老化以及環(huán)境變化等因素達到最不效果。 隨著(zhù)我國科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步,更多的先進(jìn)敏感的程度，使穩定性得到提升。在進(jìn)行穩健性設計結構設計技 術(shù)也會(huì )不斷出現，設計人員應將先進(jìn)的設時(shí),應先進(jìn)行分析和實(shí)驗,通過(guò)分析影響變量的所有因計理念 與智能、數字以及虛擬等前沿技術(shù)相結合,應用素,從而獲取最佳的參數。到機械裝備的生產(chǎn)中去，從而最大限度地提高機械裝在眾多的工程分析法中,有限元法設計作為一-種非備的性能 和質(zhì)量。常不錯的工程分析法,其不但能夠分析厚度突變以及邊參考文獻:界不規則等受力對象,同時(shí)它還能夠解決幾何非線(xiàn)性等[1] 鄭繼水.煤礦機械綠色設計與加工的途徑D山東煤炭科技,2011一系列的復雜問(wèn)題。煤礦技術(shù)中的機械裝備的受力情況2] 李士陽(yáng)現代設計方法和理論在煤礦機械設計中的應用1煤礦(4):274,276.是很復雜的,所以采用這種方法才能剛好匹配。如在分機械, 2007(4):274,276.析電動(dòng)挖掘機動(dòng)臂和斗桿的受力情況時(shí),因為其結構受[3] 溫云芳 機械設備的自動(dòng)化技術(shù)應用)煤炭技術(shù),2010(5):25- -27.力的情況復雜,如果是采用工程計算法是根本無(wú)法分析(責任編輯 王秀麗)動(dòng)臂和斗桿中鋼板的應力分布情況的,而如果采用有限中國煤化工收稿日期:2013-01-10;修訂日期:2013-08-28MHCNM HG作者簡(jiǎn)介:耿春霞(1968-),女,河南西平人,副教授工程碩士,研究方向:機械電子。第12期耿春霞，等:煤炭采樣機采樣臂優(yōu)化設計研究.15.[原體料司一般時(shí)間一座分司一再科間0前言圖2制樣 系統流程分析圖煤炭采樣是煤炭資源煤質(zhì)分析中最為重要的環(huán)節,采樣的質(zhì)量直接影響煤質(zhì)分析的效果,而要采取具2煤 炭采樣機采樣臂結構設計要點(diǎn)有代表性的煤炭樣品,就必須提高采樣的質(zhì)量、采樣的2.1采樣臂采樣截面的選擇準確度。煤炭采樣有人工采樣、機械采樣兩種方式,與采樣臂的性能如何直接影響到整個(gè)采樣機的工作傳統的人工采樣方式相比,機械采樣的質(zhì)量更好、效率性能,為了盡量降低采樣臂的重量,選用箱型的伸縮采更高。但是,現有煤炭采樣機械也確實(shí)存在著(zhù)不足之處。樣臂比較理想。在優(yōu)化設計煤炭采樣臂時(shí),首先要考慮文中通過(guò)對煤炭采樣機采樣臂進(jìn)優(yōu)化設計,來(lái)提高我國的就是采樣臂應該選擇什么樣的截面，這是采樣臂設煤炭采樣的質(zhì)量采樣的效率。計的關(guān)鍵所在。目前比較常見(jiàn)的截面形狀主要有矩形、1煤炭采樣機工作原理與結構六邊形、橢圓形、梯形以及倒梯形等幾種形式的截面，其中，六邊形的截面與其它幾種截面類(lèi)型相比，伸縮導.1 煤炭采樣機的工作原理向性、抗彎曲的能力更好,而且六邊形截面上下導向的煤炭采樣機的工作原理如下:當運送煤炭的車(chē)輛接觸面積要大于其它幾種形式的截面，使六邊形截面?？康街付ǖ臋z測位置以后，煤炭采樣機通過(guò)旋轉機可以有效地避免伸縮臂的外表面與基本臂的內表面之械采樣臂對已經(jīng)設置好的采樣點(diǎn)進(jìn)行精確定位，定位間壓力 在局部過(guò)于集中的情形出現。完成以后，采樣頭會(huì )通過(guò)旋轉的方式進(jìn)人運送煤炭的車(chē)廂內部。然后,采樣臂提升煤樣并進(jìn)行“縮分”,將樣品分人料斗進(jìn)行儲存。機械采樣臂通過(guò)轉動(dòng)裝置提升采樣頭并移動(dòng)到規定的卸料位置,再打開(kāi)料斗門(mén),將樣品輸送到制樣系統，然后將樣品粉碎“縮分”以后送人圖 3煤炭采樣機箱型伸 縮采樣臂六邊形截面結構圖煤炭樣品收集器,整個(gè)采樣流程完畢。2.2采樣臂 主要尺寸的確定1.2 煤炭采樣機的基本結構2.2.1 采樣臂設計的主 要技術(shù)指標煤炭采樣機:主要由制樣系統、采樣機構底盤(pán)系統設煤炭采樣機采樣臂的最大起升高度為H(單位:m),以及回轉機構等四部分組成。其中,采樣裝置是整個(gè)采當 040m時(shí),伸縮臂--般為5性能要求較高;制樣系統主要包括破碎機、集樣器、縮節。實(shí)踐中,煤炭勘探、采樣器最大起升高度超過(guò)40m分器以及集料斗等，主要的功能是對煤炭樣品進(jìn)行破的情形并不多 見(jiàn)，伸縮臂為3~5節的采樣機的使用頻碎與縮分操作。率比較高。2.2.2采樣臂 各部分尺寸的確定采樣機工作 主要包括最大采樣半徑、最小采樣半徑以及最大采樣高度等3個(gè)物理量,工況不同,對采樣臂尺寸的要求也不同,為了滿(mǎn)足最小采樣半徑，最大采樣半徑的需求,需要科學(xué)地設計各個(gè)部分的尺寸。如以煤炭采樣最大起升高度25 m為例,可以確定伸縮臂的節數為3~4節,而根據經(jīng)驗來(lái)判斷,此時(shí)采樣臂的采樣圖1煤炭采樣機結構示意圖半徑應該處于3~6m之間，回轉的角度亦不得超過(guò)300%。同時(shí),為了既滿(mǎn)足采樣要求又不損害采樣機的采(1 )采樣機構采樣機采樣部分主要負責煤炭采樣工作，采樣臂樣頭,采樣深度最大不能超過(guò)2.5m。采樣臂各個(gè)部分的固定在底盤(pán)系統上，大多采用箱式結構,這樣便于采樣尺寸設計模型如下:(1)滿(mǎn)足最大采樣半徑要求時(shí)臂伸縮、移動(dòng),而采樣頭則大多使用螺旋式結構。以煤炭采樣最大起升高度9m為例,對煤炭采樣(2 )回轉結構采樣機的回轉機構主要是將采樣部分與底盤(pán)系統臂各個(gè)部分的尺寸進(jìn)行設計、優(yōu)化。采樣臂處于最大采進(jìn)行連接，而且由于回轉機構能夠實(shí)現120的自由轉樣半徑工況條件下,伸縮臂完全展開(kāi),此時(shí),采樣機底動(dòng),能夠對任一點(diǎn)進(jìn)行煤炭采樣。同時(shí),回轉機構作為座重心與連接臂之間的夾角為a,設連接臂的長(cháng)度為采樣機各個(gè)部分相連的“樞紐”,通過(guò)調節回轉機構的L2、伸縮臂的基本臂和伸縮節的長(cháng)度分別為L(cháng)3,L,可以參數可以獲得理想的轉動(dòng)速度,以確保采樣機高效精得到方程Lcosa+Ls+L=6確地運行。在采樣臂處于最大半徑時(shí)，設底座的高度為L(cháng),采.(3)底盤(pán)與制樣系統樣頭的高度為B,采樣臂最大采樣高度為H,承載采樣煤炭采樣機底盤(pán)系統-般情況下采用輪式結構,機的汽車(chē)底盤(pán)的高度為H,底座重心與連接臂的夾角這克服了傳統的履帶式系統行走緩慢的缺點(diǎn)。輪式結大小為β,水平面與采樣機伸縮臂的夾角為0,可得方程構機動(dòng)性、機身穩定性以及路面的適應性比較好,但是，LsinB+(十防滑輪胎的選擇是一一個(gè)難點(diǎn)。制樣系統通過(guò)將進(jìn)人集料中國煤化工斗的煤炭樣品進(jìn)行破碎,然后進(jìn)人更高- -級的給料機進(jìn)(2)滿(mǎn)足最小多THCNM HG行二次縮分，其主要的工作流程可以用圖2表示。. .16.煤炭技術(shù)第32卷最小半徑工況模式下，伸縮臂此時(shí)處于完全收縮的狀態(tài),可以得到如下方程L2cosB+Lxcos0=3 .僅僅依靠以上3個(gè)方程難以求出各個(gè)尺寸變量,實(shí)踐中,可以采取根據經(jīng)驗值預設部分變量的形式,來(lái)確定整個(gè)采樣臂的各個(gè)部分的尺寸,但是,由于需要大圖5煤炭采樣機回轉結構部分轉 動(dòng)方案基本構成圖量的經(jīng)驗數據作為支撐，這種設計模式的局限性比較明顯,尤其是針對采樣臂各個(gè)部分的穩定性強度以及構,這與采樣機的壓力承載、轉動(dòng)范圍較大有關(guān)。通過(guò)高度的設計,涉及到材料力學(xué)、機械力學(xué)的知識。查閱國內外相關(guān)的文獻資料，對比各種滾動(dòng)式回轉平(3 )采樣臂尺寸的優(yōu)化設計臺性能發(fā)現，單排四點(diǎn)接觸球式由于其具有均衡承載僅僅依靠上面提到的4個(gè)方程難以求出所有的變負荷、回轉相對比較靈活、采樣速度較快以及運行平穩量,需要借助目標函數、設置新的變量才能求出煤炭采的特點(diǎn),因此,文中以最大提升高度為9 m、單排四點(diǎn)接樣機采樣臂各個(gè)部分的尺寸。將各個(gè)采樣臂各個(gè)部分觸式采樣回轉結構為例進(jìn)行分析。四點(diǎn)接觸滾球式回的長(cháng)度向量化可以得到轉結構中心直徑(滾動(dòng)部分)選擇1 m為宜，而滾動(dòng)體的U=[U,U,U,U]"=[L,LzL;L]"將采樣臂的各個(gè)部分長(cháng)度的和設為L(cháng),則可以得直徑則設計為42m,另外,軸承的高度H=80 m,接觸角一般設計為45到目標函數另外，回轉平臺作為整個(gè)采樣機的主要負荷承載L=L:+L2+L3+L4部分，其主要的作用是將采樣臂的重量通過(guò)各個(gè)支腿再以前文4個(gè)公式為約束條件,則可以得到優(yōu)化傳遞到地面?；剞D平臺結構設計見(jiàn)圖6所示。Minf(L)=L+Lz+Ls+L4則該采樣機采樣臂的約束條件必須要滿(mǎn)足LxcosB+Lscos0=33Lxcosa+Ls+L=6 .LsinB+(Ls+Ly)sin0+L.+H=123-19由此可見(jiàn)，采樣機采樣臂的最優(yōu)化問(wèn)題為非線(xiàn)性條件下的約束優(yōu)化設計，借助于計算機運用Fmincon進(jìn)行函數求解就可以求出采樣機采樣臂各個(gè)部分的長(cháng)度。運用MATLAB程序經(jīng)過(guò)七次迭代計算,最后該雨數會(huì )逐漸趨于收斂，可以得到采樣臂各個(gè)部分尺寸的長(cháng)度。在設計不同采樣高度的采樣臂時(shí),只需要將長(cháng)度，圖6煤炭采樣機回轉平臺結構圖L代人即可，經(jīng)過(guò)以上分析可知,運用MATLAB程序作為采樣與采樣臂的優(yōu)化設計不同，煤炭采樣機回轉平臺臂長(cháng)度優(yōu)化設計的輔助工具,整個(gè)計算過(guò)程比較簡(jiǎn)明、設計的主要目的是確保結構合理、滿(mǎn)足轉動(dòng)功能需求，快捷高效,是解決機械設計最優(yōu)化問(wèn)題的有效工具。使其既能夠比較容易地放置回轉馬達，也能夠進(jìn)行回轉支撐的安裝。然而,提升高度不同,對采樣機回轉部(4 )煤炭采樣機采樣臂結構的優(yōu)化設計流程分的設計要求也有所不同,實(shí)踐中,可以根據回轉阻力對煤炭采樣機采樣臂結構進(jìn)行優(yōu)化設計:可以運要求來(lái)計算最佳的尺 寸設計以及最大轉動(dòng)速度。與優(yōu)用ANSYS程序進(jìn)行循環(huán)設計,經(jīng)過(guò)系統的分析.評估、化之前 相比，優(yōu)化后的煤炭采樣機可以比較便利地完修正再分析的過(guò)程,得出理想的“結論”。采樣臂結構成多點(diǎn)采樣， 克服了以往采樣機受地域限制的不足之的優(yōu)化設計基本流程如圖4所示。處。借助流動(dòng)的采樣平臺，優(yōu)化以后的采樣機可以隨生成國環(huán)文件一確定優(yōu)化參物一運期OPT分析處理文件時(shí)、隨地的完成采樣任務(wù)。明響優(yōu)化交量4結論煤炭采樣機采樣臂的優(yōu)化設計與其工作效率密切確定優(yōu)化工具，族相關(guān),只有采樣臂的高度、長(cháng)度等都能滿(mǎn)足采樣功能需要,才能真正地實(shí)現采樣臂優(yōu)化設計的目標。通過(guò)文中I相由優(yōu)化結論-進(jìn)優(yōu)化分析，一 樹(shù)定優(yōu)化熱制方式的研究,以采樣機最大采樣高度9 m為例,研究分析了圖4采樣機采樣臂結構優(yōu)化設計 流程分析圖煤炭采樣機采樣臂的優(yōu)化設計問(wèn)題，并運用MATLAB確定采樣臂結構優(yōu)化設計的流程以后要對采樣臂程序對采樣臂 各個(gè)部分的尺寸進(jìn)行了分析，這對于促結構的剛度強度以及穩定性進(jìn)行分析，必須建立有限進(jìn)煤 炭采樣機采樣臂的優(yōu)化設計、實(shí)現最高的性?xún)r(jià)比元分析模型，以滿(mǎn)足采樣臂結構最優(yōu)，滿(mǎn)足剛度強度以具有 一定的借鑒價(jià)值。及穩定性要求的條件下,確保采樣臂的‘質(zhì)量”最小。參考文獻:[] 錢(qián)光浩.基于A(yíng)NSYS的龍門(mén)]起重機門(mén)架結構動(dòng)態(tài)設計與優(yōu)化研3煤 炭采樣機回轉結構部分設計王小強車(chē)載鉆機車(chē)架優(yōu)化設計[D]武漢理工大學(xué),2010.煤炭采樣機回轉結構設計也是重要的環(huán)節,回轉[3]閔希 春.H8800圓錐破碎機關(guān)鍵部件的有限元分析[D].沈陽(yáng):東結構設計是否合理直接與采樣機的運轉效率有關(guān)。絕北大學(xué),2011.[4]盧雄偉.8-3 m礦用挖掘機工作裝置優(yōu)化設計及結構強度分析大多數煤炭采樣機回轉機構可以用圖5表示。(D].長(cháng)春:吉林大煤炭采樣機回轉支撐結構主要有轉盤(pán)式、立柱式[5] 李鵬.300固定式中國煤化工分析(DI.長(cháng)兩種形式，轉盤(pán)式又可以分為滾動(dòng)軸承式與支撐滾輪春:吉林大學(xué)2008.HCNMHG王秀麗)式兩種結構。其中,煤炭采樣機大多采用滾動(dòng)式支撐結