基于虛擬樣機技術的極薄煤層連續(xù)采煤機性能優(yōu)化與可靠性研究一、引言1.1研究背景與意義煤炭作為一種重要的自然礦產資源，在全球能源結構中占據著舉足輕重的地位。從專業(yè)角度來看，煤炭資源是指蘊藏在地下、具有工業(yè)開采價值的固態(tài)化石燃料，主要由古代植物在缺氧環(huán)境下，經過長時間地質作用轉化而來，具有高熱值、易開采、儲量大等特點。在全球一次能源消費量中，煤炭占比達25%，是世界上儲量最多、分布最廣的常規(guī)能源，也是重要的戰(zhàn)略資源，被廣泛應用于鋼鐵、電力、化工等工業(yè)生產及居民生活領域。我國是世界上煤炭儲量豐富的國家之一，煤炭在我國能源結構中一直扮演著基礎性角色，對國民經濟發(fā)展和能源安全保障作用顯著。在煤炭資源的構成中，薄煤層及極薄煤層占有相當比例。通常以1.3米和0.8米為界限，厚度在1.3米以下的統(tǒng)稱為薄煤層，低于0.8米的屬于極薄煤層。我國薄煤層的可采儲量占全部煤層可采儲量的20%以上，但產量卻只占全國總產量的8%左右。大量薄及極薄煤層因開采難度大而被棄采，造成了資源的極大浪費。隨著中厚煤層資源的不斷減少，高效開采薄及極薄煤層對于提高煤炭資源采出率、緩解資源緊張局面愈發(fā)重要。極薄煤層的開采面臨諸多難題。其作業(yè)空間極為有限，往往不足成人高度，這使得開采設備的布局和操作受到極大限制。設備難以施展，傳統(tǒng)采煤機等設備難以適應極薄煤層的狹小空間，導致開采效率低下。煤層厚度變化、斷層等地質構造對極薄煤層開采影響顯著，增加了開采的難度和不確定性。開采極薄煤層時，設備的穩(wěn)定性和可靠性面臨挑戰(zhàn)，采煤機在工作過程中容易受到復雜地質條件和狹小空間的影響，出現故障的概率較高，進而影響開采的連續(xù)性。虛擬樣機技術作為現代設計制造領域的一門新技術，為解決極薄煤層連續(xù)采煤機的相關問題帶來了新的契機。虛擬樣機技術融合了計算機技術、仿真技術、多體動力學等多學科知識，通過建立機械系統(tǒng)的虛擬模型，能夠在計算機上對系統(tǒng)的性能進行模擬和分析。在極薄煤層連續(xù)采煤機的研究中，利用虛擬樣機技術可以在設計階段對采煤機的結構、動力學特性、工作性能等進行全面的仿真研究。通過模擬不同的工作工況，如煤層硬度變化、地質構造變化等，分析采煤機的響應，提前發(fā)現潛在的問題并進行優(yōu)化設計，從而提高采煤機的可靠性和工作效率，降低研發(fā)成本和周期。對極薄煤層連續(xù)采煤機進行虛擬樣機仿真研究具有重要的現實意義和應用價值。1.2國內外研究現狀國外在極薄煤層連續(xù)采煤機及虛擬樣機技術研究方面起步較早。美國、德國、澳大利亞等煤炭資源豐富且開采技術先進的國家，在極薄煤層開采設備研發(fā)上投入大量資源。美國JOY公司作為采煤機研發(fā)制造的領先企業(yè)，其生產的連續(xù)采煤機在全球多個礦區(qū)應用，針對薄煤層及極薄煤層開采，不斷優(yōu)化截割部設計，通過改進截齒排列、提高截割電機功率等方式，提升采煤機在復雜煤層條件下的截割性能。德國的DBT公司（現屬卡特彼勒）在薄煤層開采設備領域也成績斐然，其研發(fā)的刨煤機適用于薄煤層及部分極薄煤層開采，具有高效、低能耗等特點，采用先進的自動化控制技術，能夠實現遠程監(jiān)控和自動刨削，提高開采效率和安全性。澳大利亞憑借其豐富的煤炭資源和先進的開采技術，在極薄煤層開采技術研究中注重設備的可靠性和適應性，通過對不同地質條件下極薄煤層的開采實踐，積累了大量經驗，并研發(fā)出一系列適用于本地煤層條件的開采設備。在虛擬樣機技術應用方面，國外學者和企業(yè)利用多體動力學軟件ADAMS、有限元分析軟件ANSYS等，對采煤機進行深入研究。美國學者運用ADAMS軟件建立采煤機虛擬樣機模型，對采煤機在不同工況下的動力學特性進行仿真分析，研究截割過程中各部件的受力情況、運動狀態(tài)，為采煤機的結構優(yōu)化和可靠性設計提供依據。德國的研究團隊將虛擬樣機技術與智能傳感器技術相結合，通過在采煤機關鍵部位安裝傳感器，實時采集運行數據，并將其反饋到虛擬樣機模型中，實現對采煤機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和故障診斷，有效提高了設備的維護效率和運行可靠性。國內對極薄煤層連續(xù)采煤機的研究相對較晚，但近年來隨著煤炭資源開發(fā)需求的增長，相關研究取得顯著進展。我國薄煤層資源分布廣泛，在四川、山東、黑龍江、貴州等省份儲量比重較大。為提高薄煤層開采效率，眾多科研機構和企業(yè)開展相關研究。煤炭科學研究總院在薄煤層及極薄煤層開采設備研發(fā)方面成果顯著，研發(fā)的連續(xù)采煤機針對國內復雜地質條件，在機身結構、截割部設計等方面進行優(yōu)化，提高設備的適應性和可靠性。三一重工等企業(yè)也積極投入薄煤層采煤機研發(fā)，推出多款適應不同煤層厚度和地質條件的產品，在提高設備自動化程度、降低工人勞動強度方面取得一定成效。在虛擬樣機技術研究和應用方面，國內眾多高校和科研機構展開深入研究。中國礦業(yè)大學利用ADAMS和ANSYS軟件對采煤機截割部進行聯合仿真，分析截割過程中的動力學特性和結構強度，通過優(yōu)化設計提高截割部的可靠性和使用壽命。太原理工大學針對采煤機搖臂這一關鍵部件，運用虛擬樣機技術建立含柔性搖臂的虛擬樣機模型，對搖臂進行模態(tài)分析和動態(tài)特性研究，為搖臂的結構改進和故障診斷提供理論支持。盡管國內外在極薄煤層連續(xù)采煤機及虛擬樣機技術研究方面取得諸多成果，但仍存在一些不足之處?，F有研究在采煤機與復雜地質條件的耦合作用研究不夠深入，對不同地質構造（如斷層、褶皺等）下采煤機的動態(tài)響應和可靠性分析有待加強。虛擬樣機模型的精度和可靠性仍需提高，模型中材料參數、接觸參數等的確定方法不夠完善，影響仿真結果的準確性。在多學科協同仿真方面，雖然已開展相關研究，但不同學科模型之間的協同性和數據交互的流暢性仍需進一步優(yōu)化，以實現更全面、準確的采煤機性能分析。1.3研究目標與內容本研究旨在通過虛擬樣機仿真技術，深入探究極薄煤層連續(xù)采煤機的工作特性，為其優(yōu)化設計和性能提升提供科學依據，具體研究目標如下：構建高精度的極薄煤層連續(xù)采煤機虛擬樣機模型，全面、準確地模擬采煤機在實際工作中的力學行為和運動狀態(tài)，為后續(xù)的仿真分析奠定堅實基礎。運用先進的仿真技術，對采煤機在不同工況下的工作性能進行深入分析，包括截割過程中的動力學特性、牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及各部件的受力情況等，明確采煤機在復雜工況下的薄弱環(huán)節(jié)和潛在問題?；诜抡娼Y果，對采煤機的關鍵部件和整體結構進行優(yōu)化設計，提高采煤機的可靠性、工作效率和適應性，降低設備故障率和維修成本。通過虛擬樣機仿真研究，為極薄煤層連續(xù)采煤機的設計、制造和現場應用提供理論支持和技術指導，推動我國極薄煤層開采技術的發(fā)展和進步。圍繞上述研究目標，本研究的主要內容包括以下幾個方面：極薄煤層連續(xù)采煤機結構分析與虛擬樣機模型構建：對極薄煤層連續(xù)采煤機的總體結構和各關鍵部件，如截割部、牽引部、機身等進行詳細的結構分析，明確其工作原理和力學特性。運用三維建模軟件（如SolidWorks、UG等）建立采煤機各部件的精確三維模型，并進行裝配，得到完整的采煤機三維實體模型。將三維實體模型導入多體動力學仿真軟件（如ADAMS）中，添加各種約束、驅動和載荷，構建采煤機的虛擬樣機模型，為后續(xù)的仿真分析做好準備。采煤機工作過程仿真分析：根據極薄煤層的地質條件和采煤機的實際工作情況，確定仿真分析的工況，包括不同的煤層硬度、截割速度、牽引速度等。在多體動力學仿真軟件中，對采煤機在不同工況下的工作過程進行動態(tài)仿真，獲取采煤機各部件的位移、速度、加速度、受力等動態(tài)響應數據。分析采煤機在截割過程中的動力學特性，如截割力的變化規(guī)律、截割部的振動特性等，研究牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，以及各部件之間的相互作用關系。關鍵部件的有限元分析：從虛擬樣機模型中提取關鍵部件（如搖臂、截割滾筒、機身等）的載荷數據，將其導入有限元分析軟件（如ANSYS）中，建立關鍵部件的有限元模型。對關鍵部件進行靜力學分析，計算其在工作載荷作用下的應力、應變分布情況，校核部件的強度和剛度是否滿足設計要求。進行模態(tài)分析，獲取關鍵部件的固有頻率和振型，分析其振動特性，為結構優(yōu)化提供依據。采煤機結構優(yōu)化設計：根據仿真分析和有限元分析的結果，確定采煤機結構優(yōu)化的目標和變量，如提高關鍵部件的強度和剛度、降低振動和噪聲、減輕結構重量等。運用優(yōu)化設計方法（如響應面法、遺傳算法等）對采煤機的結構進行優(yōu)化設計，得到優(yōu)化后的結構參數。對優(yōu)化后的采煤機虛擬樣機模型進行再次仿真分析，驗證優(yōu)化效果，確保優(yōu)化后的采煤機性能得到顯著提升。1.4研究方法與技術路線本研究綜合運用多種研究方法，以確保研究的科學性、系統(tǒng)性和有效性。在極薄煤層連續(xù)采煤機虛擬樣機仿真研究中，主要采用以下研究方法：理論分析：對極薄煤層連續(xù)采煤機的工作原理、結構特點和力學特性進行深入的理論分析，為虛擬樣機模型的構建和仿真分析提供理論基礎。研究采煤機在截割過程中的動力學原理，分析截割力的產生機制和變化規(guī)律，以及各部件的受力情況和運動關系，為后續(xù)的仿真研究提供理論指導。軟件建模：運用先進的三維建模軟件（如SolidWorks、UG等）建立極薄煤層連續(xù)采煤機各部件的精確三維模型，并進行裝配，得到完整的采煤機三維實體模型。將三維實體模型導入多體動力學仿真軟件ADAMS中，添加各種約束、驅動和載荷，構建采煤機的虛擬樣機模型。在ADAMS中，根據采煤機的實際工作情況，準確設置各部件之間的約束關系，如鉸接約束、移動副約束等，確保模型能夠真實反映采煤機的運動特性。添加合適的驅動和載荷，如截割電機的扭矩、牽引電機的牽引力以及煤層對截割滾筒的阻力等，使模型能夠模擬采煤機在不同工況下的工作狀態(tài)。仿真實驗：根據極薄煤層的地質條件和采煤機的實際工作情況，確定多種仿真分析工況，包括不同的煤層硬度、截割速度、牽引速度等。在多體動力學仿真軟件ADAMS中，對采煤機在不同工況下的工作過程進行動態(tài)仿真，獲取采煤機各部件的位移、速度、加速度、受力等動態(tài)響應數據。改變煤層硬度參數，模擬采煤機在不同硬度煤層中的截割過程，分析截割力的變化對采煤機各部件動力學特性的影響。通過改變截割速度和牽引速度，研究采煤機在不同工作速度下的穩(wěn)定性和工作效率。有限元分析：從虛擬樣機模型中提取關鍵部件（如搖臂、截割滾筒、機身等）的載荷數據，將其導入有限元分析軟件ANSYS中，建立關鍵部件的有限元模型。對關鍵部件進行靜力學分析，計算其在工作載荷作用下的應力、應變分布情況，校核部件的強度和剛度是否滿足設計要求。進行模態(tài)分析，獲取關鍵部件的固有頻率和振型，分析其振動特性，為結構優(yōu)化提供依據。以搖臂為例，在ANSYS中建立詳細的有限元模型，劃分合適的網格，施加載荷和約束條件，進行靜力學分析，查看搖臂在工作載荷下的應力集中區(qū)域和變形情況，判斷其強度和剛度是否符合要求。通過模態(tài)分析，得到搖臂的固有頻率和振型，分析其在工作過程中是否會發(fā)生共振現象，為結構優(yōu)化提供重要參考。對比驗證：將虛擬樣機仿真結果與實際采煤機的試驗數據或現場運行數據進行對比分析，驗證虛擬樣機模型的準確性和可靠性。若存在差異，深入分析原因，對模型進行修正和完善，確保模型能夠準確預測采煤機的工作性能。收集實際采煤機在相同工況下的運行數據，如截割力、牽引速度、各部件的振動情況等，與虛擬樣機仿真結果進行對比。通過對比分析，評估模型的準確性，若發(fā)現模型與實際情況存在偏差，仔細檢查模型的參數設置、約束條件等，找出原因并進行修正，使模型更加貼近實際情況。本研究的技術路線如下：首先，通過對極薄煤層連續(xù)采煤機的結構分析和工作原理研究，明確各部件的功能和相互關系，為后續(xù)的建模和仿真工作奠定基礎。運用三維建模軟件建立采煤機各部件的三維模型，并進行裝配，得到完整的采煤機三維實體模型。將三維實體模型導入多體動力學仿真軟件ADAMS中，構建采煤機的虛擬樣機模型，并進行初始化設置，添加約束、驅動和載荷等。根據實際工況，設置不同的仿真參數，在ADAMS中對采煤機進行動態(tài)仿真，獲取各部件的動態(tài)響應數據。從虛擬樣機模型中提取關鍵部件的載荷數據，導入有限元分析軟件ANSYS中，進行靜力學分析和模態(tài)分析，評估關鍵部件的強度、剛度和振動特性。根據仿真分析和有限元分析的結果，確定采煤機結構優(yōu)化的目標和變量，運用優(yōu)化設計方法對采煤機的結構進行優(yōu)化設計，得到優(yōu)化后的結構參數。對優(yōu)化后的采煤機虛擬樣機模型進行再次仿真分析，驗證優(yōu)化效果，若優(yōu)化效果不理想，繼續(xù)調整優(yōu)化參數，直至達到預期的優(yōu)化目標。最后，將虛擬樣機仿真結果與實際數據進行對比驗證，確保研究結果的準確性和可靠性，為極薄煤層連續(xù)采煤機的設計和改進提供科學依據。二、極薄煤層連續(xù)采煤機概述2.1結構組成極薄煤層連續(xù)采煤機主要由截割部、牽引部、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及機身等關鍵部件組成，各部件協同工作，確保采煤機在極薄煤層環(huán)境下高效、穩(wěn)定地運行。2.1.1截割部截割部是極薄煤層連續(xù)采煤機直接破煤的關鍵部件，其性能直接影響采煤效率和煤炭質量。截割部主要由截割電機、截割減速器、截割滾筒以及搖臂等組成。截割電機作為動力源，為截割作業(yè)提供所需的扭矩和轉速。在極薄煤層開采中，由于空間有限，截割電機需具備體積小、功率大的特點，以滿足在狹小空間內高效破煤的需求。例如，某些型號的極薄煤層連續(xù)采煤機采用了特制的緊湊型電機，其功率密度比普通電機提高了20%，在有限的空間內實現了更強的破煤能力。截割減速器的作用是將截割電機的高速低扭矩輸出轉換為截割滾筒所需的低速高扭矩，以適應不同煤質和截割工況。截割減速器通常采用多級齒輪減速的方式，具有結構緊湊、傳動效率高、承載能力強等優(yōu)點。通過合理設計齒輪的模數、齒數和齒形參數，能夠有效提高減速器的可靠性和使用壽命。例如，在某款極薄煤層連續(xù)采煤機的截割減速器設計中，采用了優(yōu)化的齒輪參數，使減速器的承載能力提高了15%，同時降低了齒輪的磨損和噪聲。截割滾筒是直接與煤層接觸并實現破煤的部件，其結構和參數對截割性能影響顯著。截割滾筒上安裝有截齒，截齒按一定規(guī)律排列，在滾筒旋轉時切入煤層，將煤體破碎。截齒的形狀、材質和布置方式是影響截割效果的重要因素。例如，采用鎬形截齒，其頭部尖銳，在截割時能夠更容易地切入煤體，減少截割阻力；而采用高強度合金材質的截齒，能夠提高截齒的耐磨性和抗沖擊性，延長截齒的使用壽命。截割滾筒的直徑、長度和螺旋升角等參數也需要根據煤層厚度、硬度和采煤機的工作要求進行合理設計。在極薄煤層開采中，通常采用較小直徑的截割滾筒，以適應煤層厚度和減小采煤機的整體尺寸。例如，某極薄煤層連續(xù)采煤機的截割滾筒直徑為0.6米，能夠在0.8米以下的極薄煤層中高效作業(yè)。搖臂則連接截割減速器和截割滾筒，實現截割滾筒的升降和擺動，以調整截割高度和角度，適應不同的煤層賦存條件。搖臂通常采用鉸接結構，通過液壓油缸控制其運動。搖臂的結構強度和剛性對截割部的穩(wěn)定性和可靠性至關重要。在設計搖臂時，需要考慮其在承受截割力、重力和慣性力等多種載荷作用下的強度和變形情況。例如，采用高強度鋼材制造搖臂，并通過優(yōu)化結構設計，增加加強筋和支撐結構，提高搖臂的抗變形能力。同時，搖臂的鉸接部位需要采用高精度的銷軸和軸承，確保其運動的靈活性和可靠性。2.1.2牽引部牽引部是極薄煤層連續(xù)采煤機實現行走和移動的部件，為采煤機提供前進、后退和轉彎的動力，確保采煤機在采煤工作面內準確、穩(wěn)定地移動。牽引部主要由牽引電機、牽引減速器、牽引鏈輪以及行走履帶等組成。牽引電機為牽引部提供動力，其功率和轉速根據采煤機的工作要求和運行阻力進行選擇。在極薄煤層開采中，由于采煤機需要頻繁啟動、停止和換向，牽引電機需具備良好的啟動性能和調速性能。例如，采用直流牽引電機或交流變頻調速電機，能夠實現牽引速度的無級調節(jié)，滿足采煤機在不同工況下的運行需求。牽引減速器將牽引電機的高速低扭矩輸出轉換為牽引鏈輪所需的低速高扭矩，以驅動行走履帶運動。牽引減速器通常采用行星齒輪減速或多級圓柱齒輪減速的方式，具有傳動比大、結構緊湊、效率高等優(yōu)點。在設計牽引減速器時，需要考慮其在承受較大牽引力和沖擊載荷時的可靠性和耐久性。例如，采用高強度齒輪材料和優(yōu)化的齒輪設計，提高齒輪的承載能力和抗疲勞性能；同時，加強減速器的潤滑和密封措施，減少齒輪磨損和漏油現象，延長減速器的使用壽命。牽引鏈輪與行走履帶嚙合，將牽引減速器輸出的扭矩傳遞給行走履帶，實現采煤機的行走。牽引鏈輪的齒數、節(jié)距和齒形等參數需要與行走履帶相匹配，以確保兩者之間的良好嚙合和動力傳遞。行走履帶是采煤機與工作面底板接觸的部件，承受采煤機的重量和工作載荷。行走履帶通常采用高強度橡膠或金屬履帶，具有良好的耐磨性、防滑性和承載能力。在極薄煤層開采中，由于工作面底板條件復雜，行走履帶需要具備較好的適應性，能夠在起伏不平的底板上穩(wěn)定運行。例如，采用具有可調節(jié)張緊裝置的行走履帶，能夠根據底板情況及時調整履帶的張緊度，確保履帶與底板的良好接觸和采煤機的穩(wěn)定行走。此外，牽引部還配備有制動裝置，用于在采煤機停止運行時提供可靠的制動，防止采煤機滑動。制動裝置通常采用液壓制動或電磁制動的方式，具有制動可靠、響應速度快等優(yōu)點。在設計制動裝置時，需要考慮其制動力矩的大小和制動時間的長短，確保在各種工況下都能安全有效地制動采煤機。例如，某極薄煤層連續(xù)采煤機的制動裝置采用了液壓濕式多片制動器，制動力矩大，制動平穩(wěn)可靠，能夠在采煤機滿載運行時迅速制動，保證采煤機的安全。2.1.3電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)是極薄煤層連續(xù)采煤機的控制核心，負責采煤機的啟動、停止、調速、監(jiān)控和保護等功能，確保采煤機的安全、可靠運行。電氣系統(tǒng)主要由電控箱、操作臺、電動機、傳感器以及電纜等組成。電控箱是電氣系統(tǒng)的核心部件，內部集成了各種控制元件和保護裝置，如接觸器、繼電器、斷路器、變頻器、可編程控制器（PLC）等。電控箱負責對采煤機的各個電動機進行控制和保護，實現采煤機的啟動、停止、正反轉和調速等功能。例如，通過PLC編程，可以實現采煤機的自動化控制，根據預設的程序和傳感器反饋的信號，自動調整采煤機的截割速度、牽引速度和噴霧降塵等參數，提高采煤機的工作效率和安全性。操作臺是操作人員與采煤機之間的人機交互界面，操作人員通過操作臺上的按鈕、旋鈕、顯示屏等設備，對采煤機進行操作和監(jiān)控。操作臺上通常設置有各種指示燈和報警裝置，用于顯示采煤機的運行狀態(tài)和故障信息。例如，當采煤機出現過載、過熱、漏電等故障時，操作臺上的相應指示燈會亮起，并發(fā)出報警信號，提醒操作人員及時采取措施進行處理。電動機是采煤機的動力源，包括截割電機、牽引電機、油泵電機等。電動機的性能和可靠性直接影響采煤機的工作效率和穩(wěn)定性。在極薄煤層連續(xù)采煤機中，電動機需要具備防爆、防水、防塵等性能，以適應煤礦井下惡劣的工作環(huán)境。例如，采用隔爆型電動機，其外殼能夠承受內部爆炸產生的壓力，防止爆炸火焰?zhèn)鞑サ酵獠浚_保煤礦井下的安全。傳感器是電氣系統(tǒng)的重要組成部分，用于實時監(jiān)測采煤機的運行狀態(tài)和工作參數，如截割電流、牽引速度、油溫、油壓、瓦斯?jié)舛鹊?。傳感器將監(jiān)測到的信號傳輸給電控箱，電控箱根據這些信號對采煤機進行控制和保護。例如，當截割電流超過設定值時，電控箱會自動降低截割速度或停止截割，以防止截割電機過載燒毀；當瓦斯?jié)舛瘸^安全限值時，電控箱會立即停止采煤機的運行，并發(fā)出報警信號，確保人員和設備的安全。電纜用于連接電氣系統(tǒng)的各個部件，傳輸電能和信號。在極薄煤層連續(xù)采煤機中，電纜需要具備防爆、耐磨、耐彎曲等性能，以保證電氣系統(tǒng)的正常運行。例如，采用礦用阻燃電纜，其具有良好的阻燃性能，能夠在發(fā)生火災時阻止火勢蔓延；同時，電纜的外護套采用耐磨、耐彎曲的材料，能夠在采煤機頻繁移動和振動的情況下，保持良好的電氣性能和機械性能。2.1.4液壓系統(tǒng)液壓系統(tǒng)是極薄煤層連續(xù)采煤機的動力傳輸和控制部件，通過液壓油的壓力能驅動各種執(zhí)行元件，實現采煤機的截割滾筒升降、搖臂擺動、機身調高等動作，以及提供制動和過載保護等功能。液壓系統(tǒng)主要由液壓泵、液壓馬達、液壓缸、控制閥、油箱以及管路等組成。液壓泵是液壓系統(tǒng)的動力源，將機械能轉換為液壓油的壓力能。液壓泵通常采用齒輪泵、葉片泵或柱塞泵等，根據采煤機的工作要求和系統(tǒng)壓力選擇合適的泵型。在極薄煤層連續(xù)采煤機中，由于空間有限，通常采用結構緊湊、體積小的液壓泵。例如，某極薄煤層連續(xù)采煤機采用了軸向柱塞泵，其具有壓力高、流量穩(wěn)定、效率高的優(yōu)點，能夠滿足采煤機在各種工況下的液壓動力需求。液壓馬達和液壓缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件，將液壓油的壓力能轉換為機械能，實現采煤機的各種動作。液壓馬達主要用于驅動牽引鏈輪、截割滾筒等旋轉部件，液壓缸則用于驅動搖臂升降、機身調高等直線運動部件。液壓馬達和液壓缸的選型需要根據所需的扭矩、力和運動速度等參數進行計算和選擇。例如，在選擇驅動牽引鏈輪的液壓馬達時，需要根據采煤機的牽引力和牽引速度要求，計算出液壓馬達所需的扭矩和轉速，然后選擇合適型號的液壓馬達。控制閥用于控制液壓油的流向、壓力和流量，實現對液壓系統(tǒng)的各種控制功能。控制閥包括方向控制閥、壓力控制閥和流量控制閥等。方向控制閥用于控制液壓油的流向，實現執(zhí)行元件的正反轉和停止；壓力控制閥用于調節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力，保證系統(tǒng)的安全運行和執(zhí)行元件的正常工作；流量控制閥用于調節(jié)液壓油的流量，實現執(zhí)行元件的速度控制。例如，通過電磁換向閥控制液壓油的流向，實現搖臂的升降動作；通過溢流閥調節(jié)液壓系統(tǒng)的最高壓力，當系統(tǒng)壓力超過設定值時，溢流閥打開，將多余的液壓油溢流回油箱，保護系統(tǒng)元件不被損壞。油箱用于儲存液壓油，并起到散熱、沉淀雜質和分離空氣的作用。油箱的容積需要根據液壓系統(tǒng)的流量和工作要求進行合理設計，以保證液壓油的充分供應和系統(tǒng)的正常運行。在極薄煤層連續(xù)采煤機中，為了減小油箱的體積，通常采用高效的散熱裝置和過濾系統(tǒng)，提高油箱的散熱效率和液壓油的清潔度。例如，采用風冷式散熱器和高精度的過濾器，能夠有效地降低液壓油的溫度和去除雜質，延長液壓系統(tǒng)的使用壽命。管路用于連接液壓系統(tǒng)的各個部件，傳輸液壓油。管路的材質和規(guī)格需要根據液壓系統(tǒng)的壓力、流量和工作環(huán)境進行選擇，確保管路的耐壓性、密封性和耐腐蝕性。在極薄煤層連續(xù)采煤機中，由于空間狹窄，管路的布置需要緊湊合理，避免出現干涉和碰撞。同時，管路需要進行固定和防護，防止在采煤機運行過程中受到損壞。例如，采用高壓膠管和金屬管相結合的方式，根據不同的工作部位選擇合適的管路材質；對管路進行合理的布線和固定，并安裝防護套，保護管路不受煤矸石等物體的撞擊。2.2工作原理極薄煤層連續(xù)采煤機的工作原理基于截割、牽引、裝載和運輸等多個系統(tǒng)的協同運作，以實現高效的煤炭開采。在實際作業(yè)中，截割部作為采煤機直接破煤的關鍵部件，其工作過程尤為重要。截割電機輸出高轉速的扭矩，通過截割減速器進行多級減速，將高速低扭矩轉換為適合截割滾筒工作的低速高扭矩。截割滾筒上按特定規(guī)律排列的截齒在滾筒旋轉時切入煤層，利用截齒的切削作用將煤體破碎。例如，在某極薄煤層開采現場，截割電機功率為150kW，轉速為1480r/min，經過截割減速器的減速比為25的減速后，截割滾筒獲得合適的轉速和扭矩，使截齒能夠有效地切入硬度系數為f=2的煤層，將煤體破碎成小塊。搖臂在截割過程中起著重要的調節(jié)作用。通過液壓油缸的伸縮，搖臂能夠實現截割滾筒的升降和擺動。當需要調整截割高度以適應煤層厚度變化時，液壓油缸推動搖臂繞鉸接點轉動，使截割滾筒上升或下降。在遇到煤層局部起伏或地質構造變化時，搖臂還能通過擺動調整截割角度，確保截割滾筒始終與煤層保持良好的接觸，實現高效破煤。在某工作面，煤層厚度在0.6-0.8米之間變化，采煤機通過搖臂的升降調整，使截割滾筒能夠在不同厚度的煤層中穩(wěn)定截割，保證了采煤作業(yè)的連續(xù)性。牽引部為采煤機提供行走動力，實現采煤機在采煤工作面的移動。牽引電機驅動牽引減速器，將電機的高速低扭矩轉換為牽引鏈輪的低速高扭矩，牽引鏈輪與行走履帶嚙合，帶動采煤機前進、后退或轉彎。在實際作業(yè)中，根據煤層的開采進度和采煤機的工作需求，操作人員通過控制臺調整牽引電機的轉速和轉向，從而控制采煤機的行走速度和方向。在一個長壁工作面，采煤機需要沿著煤層走向進行往返截割作業(yè)，操作人員根據截割進度和煤層條件，靈活調整牽引速度，使采煤機在保證截割質量的前提下，高效地完成采煤任務。裝載和運輸系統(tǒng)負責將截割下來的煤炭及時運出工作面。裝煤部通常采用蟹爪式裝載機構，蟹爪在電機的驅動下，將破碎的煤塊扒入刮板輸送機。刮板輸送機通過刮板鏈的運動，將煤炭輸送到采煤機的后部，再通過轉載機將煤炭轉運到后續(xù)的運輸設備，如膠帶輸送機，最終將煤炭運出礦井。在某礦井的極薄煤層開采中，蟹爪式裝載機構的裝載能力為每小時150噸，刮板輸送機的運輸能力為每小時200噸，能夠滿足采煤機的高效生產需求，確保煤炭的及時運輸，避免煤炭堆積影響采煤機的正常工作。在整個工作過程中，電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)起到了至關重要的控制和動力傳輸作用。電氣系統(tǒng)通過各種傳感器實時監(jiān)測采煤機的運行狀態(tài)，如截割電流、牽引速度、油溫、油壓等，并將這些信號傳輸給電控箱。電控箱根據預設的程序和操作人員的指令，對采煤機的各個電動機進行精確控制，實現采煤機的啟動、停止、調速等功能。當截割電流超過設定的過載保護值時，電控箱會自動降低截割速度或停止截割電機，以保護設備安全。液壓系統(tǒng)則通過液壓泵將機械能轉換為液壓油的壓力能，通過控制閥控制液壓油的流向、壓力和流量，驅動液壓馬達和液壓缸等執(zhí)行元件，實現截割滾筒的升降、搖臂的擺動、機身的調高等動作，以及提供制動和過載保護等功能。在采煤機需要調整截割高度時，液壓系統(tǒng)通過控制液壓缸的伸縮，使搖臂帶動截割滾筒快速、準確地到達指定位置，保證采煤作業(yè)的順利進行。2.3技術特點極薄煤層連續(xù)采煤機在技術參數和結構設計上具有獨特之處，這些特點使其能夠適應極薄煤層開采的特殊要求，但同時也面臨著一些挑戰(zhàn)。從技術參數來看，極薄煤層連續(xù)采煤機的采高范圍通常在0.8米以下，這是為了適應極薄煤層的厚度。例如，某型號極薄煤層連續(xù)采煤機的最小采高可達0.5米，最大采高為0.75米，能夠在厚度變化較大的極薄煤層中進行開采作業(yè)。較小的采高范圍對采煤機的結構設計提出了嚴格要求，需要將各個部件進行緊湊布局，以減小機身高度。牽引速度一般在0-6m/min之間，這一速度范圍是綜合考慮了極薄煤層的地質條件和采煤機的工作穩(wěn)定性確定的。在實際開采中，牽引速度需要根據煤層硬度、頂板穩(wěn)定性等因素進行調整。當遇到硬度較大的煤層時，為了保證截割效果和設備安全，需要降低牽引速度；而在煤層條件較好時，可以適當提高牽引速度，以提高采煤效率。截割功率通常在100-300kW之間，這取決于煤層的硬度和采煤機的設計要求。對于硬度較大的極薄煤層，需要較大的截割功率來保證截割效果。某采煤機針對硬度系數f=3的極薄煤層，配備了200kW的截割電機，能夠有效地破碎煤體，提高采煤效率。在結構設計方面，極薄煤層連續(xù)采煤機通常采用矮機身、窄機身的設計理念，以適應極薄煤層開采空間狹小的特點。機身高度一般在0.5-0.8米之間，寬度在1-1.5米之間，這樣的尺寸能夠使采煤機在極薄煤層中靈活移動，減少對巷道空間的占用。同時，為了提高采煤機的穩(wěn)定性，通常采用履帶式行走機構，履帶的接地面積較大，能夠分散機身重量，提高采煤機在起伏不平的底板上的行走穩(wěn)定性。在極薄煤層開采中，極薄煤層連續(xù)采煤機具有諸多優(yōu)勢。其靈活的機身設計使其能夠在狹小的空間內作業(yè)，適應極薄煤層開采的特殊環(huán)境，相比傳統(tǒng)采煤機，能夠更有效地開采極薄煤層資源，提高煤炭資源的采出率。自動化程度的不斷提高，也減少了人工操作的強度和風險，提高了開采的安全性和效率。然而，極薄煤層連續(xù)采煤機也面臨一些挑戰(zhàn)。由于工作空間狹小，設備的維護和檢修難度較大，需要專業(yè)的技術人員和特殊的工具才能進行操作。極薄煤層的地質條件復雜，如煤層厚度變化、斷層、褶皺等，對采煤機的適應性提出了更高的要求。在遇到斷層等地質構造時，采煤機的截割和牽引系統(tǒng)可能會受到較大的沖擊，影響設備的正常運行和使用壽命。此外，極薄煤層開采的產量相對較低，如何在保證開采效率的同時，降低開采成本，也是需要解決的問題之一。三、虛擬樣機技術基礎3.1虛擬樣機技術原理虛擬樣機技術（VirtualPrototypeTechnology，VPT）是一種基于計算機仿真的數字化設計方法，它融合了多學科領域的知識和技術，通過建立產品的數字化模型，對產品在各種工況下的性能進行模擬、分析和優(yōu)化。該技術的核心在于利用計算機強大的計算和圖形處理能力，構建一個與真實產品具有相似物理特性和行為的虛擬模型，使設計人員能夠在虛擬環(huán)境中對產品進行全面的測試和評估，從而在產品實際制造之前發(fā)現并解決潛在問題。在虛擬樣機技術中，首先需要利用計算機輔助設計（CAD）軟件創(chuàng)建產品的三維幾何模型，精確地定義產品各部件的形狀、尺寸、位置和裝配關系。通過參數化建模，能夠方便地對模型進行修改和優(yōu)化，提高設計效率。運用多體動力學、有限元分析等方法，為模型賦予物理屬性，如質量、慣性矩、彈性模量等，并建立系統(tǒng)的動力學和運動學方程，模擬產品在力和力矩作用下的動態(tài)響應，包括位移、速度、加速度和力等。通過對模型施加各種載荷和約束條件，模擬產品在實際工作中的受力情況和運動狀態(tài)，如在極薄煤層連續(xù)采煤機的虛擬樣機模型中，需要考慮截割力、牽引力、煤層阻力以及各部件之間的相互作用力等。虛擬樣機技術在產品設計、分析和優(yōu)化中具有顯著的優(yōu)勢。通過虛擬樣機技術，設計人員可以在計算機上對多種設計方案進行快速評估和比較，無需制造物理樣機，從而大大縮短產品的研發(fā)周期。例如，在汽車設計中，利用虛擬樣機技術可以在設計階段對汽車的外觀、內飾、動力系統(tǒng)、底盤等進行全面的模擬和優(yōu)化，提前發(fā)現設計缺陷，減少后期的設計變更和物理樣機試驗次數，使汽車的研發(fā)周期縮短30%-50%。虛擬樣機技術避免了物理樣機制造和試驗過程中的材料浪費、設備損耗以及人力成本，降低了研發(fā)成本。據統(tǒng)計，采用虛擬樣機技術可以使產品研發(fā)成本降低40%-60%。虛擬樣機技術能夠對產品進行全面的性能分析，包括力學性能、熱性能、電磁性能等，提前發(fā)現設計中的潛在問題，并通過優(yōu)化設計提高產品的性能和可靠性。在航空航天領域，利用虛擬樣機技術對飛行器的結構強度、氣動性能、飛行穩(wěn)定性等進行仿真分析，能夠確保飛行器在復雜工況下的安全可靠運行。該技術打破了傳統(tǒng)設計中各部門之間的信息壁壘，實現了多學科領域的協同設計。設計人員、工程師、測試人員等可以在同一虛擬樣機平臺上進行交流和協作，共同參與產品的設計和優(yōu)化過程，提高設計質量和效率。3.2相關仿真軟件介紹在極薄煤層連續(xù)采煤機虛擬樣機仿真研究中，多種專業(yè)軟件發(fā)揮著關鍵作用，其中ADAMS和ANSYS是應用最為廣泛的兩款軟件。ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems）即機械系統(tǒng)動力學自動分析軟件，是一款功能強大的多體動力學仿真軟件，在機械系統(tǒng)動力學分析領域占據重要地位。其功能特點主要體現在以下幾個方面：具備強大的建模能力，能夠方便地創(chuàng)建各種機械系統(tǒng)的虛擬樣機模型。用戶可以通過ADAMS自帶的建模工具直接構建簡單的模型，也可以將在其他三維建模軟件（如SolidWorks、UG等）中創(chuàng)建的復雜模型導入ADAMS中進行進一步的處理和分析。軟件提供了豐富的約束類型，如鉸接、滑動、旋轉等，能夠準確模擬機械系統(tǒng)中各部件之間的相對運動關系，使模型能夠真實地反映實際系統(tǒng)的運動特性。在動力學分析方面，ADAMS基于多體動力學理論，能夠精確計算機械系統(tǒng)在各種載荷作用下的動力學響應，包括位移、速度、加速度、力和力矩等。通過對這些動力學參數的分析，用戶可以深入了解機械系統(tǒng)的工作性能，發(fā)現潛在的設計問題。軟件提供了直觀的后處理功能，能夠以圖表、曲線、動畫等多種形式展示仿真結果，幫助用戶更直觀地理解和分析仿真數據。例如，在對極薄煤層連續(xù)采煤機進行動力學仿真時，可以通過ADAMS的后處理功能生成采煤機截割滾筒的轉速曲線、截割力隨時間的變化曲線等，清晰地展示采煤機在截割過程中的動力學特性。在采煤機虛擬樣機仿真中，ADAMS的應用十分廣泛。在采煤機截割部的研究中，利用ADAMS建立截割部的虛擬樣機模型，分析截割過程中截割滾筒的受力情況、運動狀態(tài)以及搖臂的動力學響應。通過改變截齒的排列方式、截割速度等參數，研究這些因素對截割性能的影響，為截割部的優(yōu)化設計提供依據。在牽引部的仿真分析中，運用ADAMS模擬采煤機在不同工況下的行走過程，研究牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性、牽引力的變化規(guī)律以及行走履帶與底板之間的相互作用。通過仿真分析，可以優(yōu)化牽引系統(tǒng)的參數，提高采煤機的行走性能和穩(wěn)定性。在對采煤機整機動力學特性的研究中，ADAMS能夠考慮采煤機各部件之間的相互作用，模擬采煤機在復雜工況下的運動情況，為采煤機的整體性能評估和優(yōu)化設計提供全面的動力學分析數據。ANSYS是一款通用的有限元分析軟件，在結構力學、熱力學、電磁學等多個領域都有廣泛的應用，尤其在機械結構的強度、剛度和振動分析方面具有顯著優(yōu)勢。ANSYS的功能特性豐富，提供了多種單元類型，能夠滿足不同結構和物理問題的建模需求。在對極薄煤層連續(xù)采煤機關鍵部件進行有限元分析時，可以根據部件的幾何形狀、受力特點和分析目的選擇合適的單元類型，如對搖臂進行分析時，可選用梁單元或殼單元，對截割滾筒進行分析時，可選用實體單元。軟件具備強大的網格劃分功能，能夠對復雜的幾何模型進行高質量的網格劃分，提高計算精度和效率。通過智能網格劃分技術和網格自適應功能，可以根據模型的幾何特征和受力情況自動調整網格密度，確保在關鍵部位和應力集中區(qū)域有足夠的網格精度。ANSYS擁有豐富的材料庫，包含了各種常見材料的物理屬性參數，用戶也可以自定義材料屬性，以滿足特殊材料的分析需求。在對采煤機關鍵部件進行分析時，能夠準確設置材料的彈性模量、泊松比、密度等參數，確保分析結果的準確性。在求解器方面，ANSYS提供了多種求解器，如直接求解器、迭代求解器等，能夠高效地求解各種復雜的有限元方程，得到準確的分析結果。其結果后處理功能也非常強大，能夠以云圖、等值線、矢量圖等多種方式展示結構的應力、應變、位移等結果，幫助用戶直觀地了解結構的力學性能。在采煤機虛擬樣機仿真中，ANSYS主要用于關鍵部件的有限元分析。對于采煤機的搖臂，將從虛擬樣機模型中提取的載荷數據導入ANSYS中，建立搖臂的有限元模型，進行靜力學分析，計算搖臂在工作載荷作用下的應力和應變分布，校核搖臂的強度和剛度是否滿足設計要求。通過模態(tài)分析，獲取搖臂的固有頻率和振型，分析其振動特性，判斷在工作過程中是否會發(fā)生共振現象，為搖臂的結構優(yōu)化提供重要依據。在對截割滾筒的分析中，利用ANSYS計算截割滾筒在截割力作用下的應力和變形情況，評估截割滾筒的結構強度和可靠性。通過對截割滾筒進行模態(tài)分析和疲勞分析，研究其在長期工作過程中的振動特性和疲勞壽命，為截割滾筒的設計改進提供參考。在機身的有限元分析中，運用ANSYS分析機身在各種載荷作用下的應力和變形分布，優(yōu)化機身的結構設計，提高機身的強度和穩(wěn)定性，確保采煤機在復雜工況下的安全可靠運行。3.3虛擬樣機建模流程極薄煤層連續(xù)采煤機虛擬樣機建模是一個系統(tǒng)且嚴謹的過程，主要包括以下幾個關鍵步驟：幾何模型構建：運用三維建模軟件（如SolidWorks、UG等）創(chuàng)建極薄煤層連續(xù)采煤機各部件的精確三維模型。以截割部為例，在SolidWorks中，首先根據截割部的設計圖紙，確定各部件的尺寸參數，如截割電機的外形尺寸、截割減速器的齒輪參數、截割滾筒的直徑和長度等。利用軟件的草圖繪制工具，繪制各部件的二維草圖，然后通過拉伸、旋轉、掃描等特征操作，將二維草圖轉化為三維實體模型。在建模過程中，要注意細節(jié)特征的處理，如截割滾筒上截齒的安裝孔、搖臂上的鉸接孔等，確保模型的準確性。完成各部件建模后，按照實際裝配關系進行裝配，得到完整的采煤機三維實體模型，裝配時要保證各部件之間的位置精度和配合關系，如截割減速器與截割滾筒的連接、搖臂與機身的鉸接等。模型導入：將在三維建模軟件中創(chuàng)建好的采煤機三維實體模型導入多體動力學仿真軟件ADAMS中。通常將模型保存為ADAMS能夠識別的格式，如Parasolid格式。在ADAMS中，導入模型后，對模型進行初始化設置，定義各部件的材料屬性，如密度、彈性模量、泊松比等。對于截割部的金屬部件，設置其密度為7850kg/m3，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，確保模型在仿真過程中能夠準確反映部件的力學特性。添加約束和載荷：根據采煤機的實際工作情況，在ADAMS中為模型添加各種約束和驅動。在截割部與機身之間添加鉸接約束，限制截割部在垂直方向的移動，使其能夠繞鉸接點轉動，模擬搖臂的升降運動。為牽引部的行走履帶添加移動副約束，使其能夠在水平方向移動，實現采煤機的行走功能。添加驅動和載荷，如為截割電機添加扭矩驅動，模擬其輸出的動力；根據煤層的硬度和采煤機的工作參數，為截割滾筒添加煤層阻力載荷，使其在截割過程中受到相應的阻力。在模擬采煤機在不同坡度的工作面工作時，還需要添加重力載荷的分力，以準確模擬采煤機的受力情況。模型驗證：在完成約束和載荷添加后，對虛擬樣機模型進行初步驗證。設置簡單的仿真工況，讓采煤機進行短時間的虛擬運行，觀察模型的運動是否符合實際情況，各部件之間是否存在干涉現象。通過測量工具，檢查模型中關鍵部位的位移、速度、加速度等參數是否合理。在驗證過程中，若發(fā)現模型存在問題，如約束設置不合理導致部件運動異常，需要及時返回修改，重新檢查約束和載荷的設置，確保模型的準確性和可靠性，為后續(xù)的深入仿真分析奠定基礎。四、極薄煤層連續(xù)采煤機虛擬樣機模型構建4.1幾何模型建立運用三維建模軟件，依據采煤機實際尺寸和結構，構建精確的幾何模型。在選擇三維建模軟件時，綜合考慮軟件的功能特點、易用性以及與后續(xù)仿真軟件的兼容性，最終選用SolidWorks軟件。SolidWorks作為一款功能強大的三維CAD軟件，具備豐富的建模工具和高效的參數化設計功能，能夠滿足極薄煤層連續(xù)采煤機復雜結構的建模需求，且與多體動力學仿真軟件ADAMS具有良好的兼容性，便于模型的導入和后續(xù)處理。以某型號極薄煤層連續(xù)采煤機為例，其總體結構由截割部、牽引部、機身、電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)等主要部件組成。在SolidWorks中，首先根據采煤機的設計圖紙和實際測量數據，確定各部件的尺寸參數。截割部的截割電機外形尺寸為長600mm、寬300mm、高250mm，截割減速器的中心距為350mm，齒輪模數為4，齒數分別為20和40等；牽引部的牽引電機功率為75kW，轉速為1480r/min，牽引減速器的傳動比為30，行走履帶的節(jié)距為120mm，履帶板寬度為300mm等。利用SolidWorks的草圖繪制工具，精確繪制各部件的二維草圖。在繪制截割滾筒的草圖時，根據滾筒的直徑、長度以及截齒的布置要求，準確繪制出滾筒的輪廓和截齒安裝孔的位置。通過拉伸、旋轉、掃描等特征操作，將二維草圖轉化為三維實體模型。在創(chuàng)建截割電機的三維模型時，利用拉伸特征創(chuàng)建電機的外殼，通過旋轉特征創(chuàng)建電機的軸，再利用孔特征創(chuàng)建安裝孔等細節(jié)結構。在建模過程中，注重細節(jié)特征的處理，如截齒的形狀、搖臂的鉸接孔、機身的加強筋等，確保模型的準確性和完整性。對于截齒，采用精確的幾何形狀建模，其頭部為錐形，長度為100mm，直徑為30mm，以真實反映截齒在截割過程中的受力和切削情況；搖臂的鉸接孔直徑為50mm，通過高精度的建模保證鉸接的靈活性和可靠性；機身的加強筋厚度為20mm，均勻分布在機身的關鍵部位，以提高機身的結構強度。完成各部件建模后，按照實際裝配關系在SolidWorks中進行裝配。在裝配過程中，嚴格保證各部件之間的位置精度和配合關系。截割部與機身通過鉸接方式連接，在裝配時確保鉸接軸的中心線重合，截割部能夠繞鉸接軸靈活轉動；牽引部的行走履帶與機身底部的安裝座精確配合，保證履帶在運行過程中的平穩(wěn)性；電氣系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的管路和線纜按照實際走向進行布置和連接，確保系統(tǒng)的正常運行。通過裝配，得到完整的采煤機三維實體模型，為后續(xù)的虛擬樣機建模和仿真分析奠定了堅實的基礎。4.2模型簡化與處理為提高仿真效率，在不影響關鍵性能前提下，對模型進行適當簡化和優(yōu)化。在構建極薄煤層連續(xù)采煤機虛擬樣機模型時，模型簡化與處理是至關重要的環(huán)節(jié)，直接關系到仿真的效率和準確性。在對截割部進行簡化時，充分考慮到截割電機內部復雜的繞組和鐵芯結構對采煤機整體動力學性能影響較小，在保證電機輸出扭矩和轉速等關鍵參數不變的前提下，將其簡化為具有相應質量和轉動慣量的剛體，這樣既減少了模型的復雜度，又不影響截割部整體的動力學分析。對于截割減速器，省略掉一些對傳動性能影響不大的細小工藝孔和倒角，在保證齒輪傳動比、模數、齒數等關鍵參數準確的基礎上，簡化其結構，使模型更加簡潔，便于后續(xù)的仿真計算。在牽引部的模型簡化中，對于牽引電機，同樣忽略其內部復雜的電磁結構，將其簡化為能夠提供穩(wěn)定牽引力的動力源，著重關注其輸出的牽引力和轉速等參數對采煤機行走性能的影響。牽引鏈輪和行走履帶之間的嚙合過程較為復雜，在簡化時，采用等效的接觸力模型來模擬它們之間的相互作用，在保證牽引力傳遞和行走運動學關系準確的前提下，減少了計算量。對于一些輔助結構，如履帶的張緊裝置和導向裝置，若其對牽引部主要動力學性能影響較小，可適當簡化或省略，以提高模型的計算效率。機身作為采煤機各部件的承載基礎，在簡化時需謹慎處理。對于機身上一些不影響整體強度和剛度的小型附件，如部分用于安裝標識牌的支架等，可進行適當簡化或刪除。但對于機身上的主要結構件，如側板、橫梁等，需保留其關鍵的幾何特征和尺寸，以確保機身在承受各種載荷時的力學性能能夠準確模擬。在處理機身與其他部件的連接部位時，要保證連接的準確性和可靠性，如截割部與機身的鉸接處、牽引部與機身的安裝部位等，這些連接部位的準確模擬對于采煤機整體的動力學性能分析至關重要。在模型簡化過程中，嚴格遵循不影響關鍵性能的原則。對于可能影響采煤機關鍵性能的部件和結構，如截割滾筒的截齒排列、搖臂的鉸接結構、牽引部的傳動系統(tǒng)等，保留其詳細的幾何特征和物理屬性，確保模型能夠準確反映這些關鍵部位的力學行為和運動特性。通過合理的模型簡化與處理，在保證仿真結果準確性的同時，有效提高了仿真效率，為后續(xù)的深入分析奠定了良好的基礎。4.3導入仿真軟件與參數設置將在SolidWorks中完成簡化和處理的極薄煤層連續(xù)采煤機三維實體模型，導入多體動力學仿真軟件ADAMS中。在導入過程中，選擇合適的文件格式以確保模型的完整性和準確性，通常將模型保存為Parasolid（*.x_t）格式，該格式能夠較好地保留模型的幾何信息和拓撲結構，被ADAMS軟件廣泛支持。在ADAMS中成功導入模型后，需對模型進行一系列關鍵的參數設置，這些設置直接關系到后續(xù)仿真結果的準確性和可靠性。為模型中的各個部件定義精確的材料屬性。根據實際使用的材料，為截割部的截齒設置材料為硬質合金，其密度約為14-15g/cm3，彈性模量約為600-700GPa，泊松比約為0.22-0.24。這樣的材料屬性設置能夠準確反映截齒在截割煤層時的高硬度、高強度和良好的耐磨性，確保在仿真中截齒的力學行為符合實際情況。對于機身和搖臂等主要結構部件，選用高強度合金鋼，其密度設置為7.85g/cm3，彈性模量為206GPa，泊松比為0.3，以準確模擬這些部件在承受各種載荷時的力學性能。在ADAMS中，根據采煤機的實際工作情況，為模型添加各類運動副和約束。在截割部與機身的連接部位添加鉸接約束，限制截割部在垂直方向的移動，使其能夠繞鉸接點靈活轉動，準確模擬搖臂的升降運動，確保截割部在不同煤層厚度條件下能夠有效工作。為牽引部的行走履帶添加移動副約束，使履帶能夠在水平方向順暢移動，實現采煤機的行走功能，滿足采煤機在采煤工作面不同位置作業(yè)的需求。為各部件之間的連接添加合適的約束，如螺栓連接可采用固定約束，確保各部件在仿真過程中的相對位置穩(wěn)定，避免出現不合理的位移和變形。對采煤機的驅動和載荷進行精確設置。為截割電機添加扭矩驅動，根據電機的額定參數和實際工作要求，設置扭矩大小和變化規(guī)律，以模擬截割電機輸出的動力，驅動截割滾筒進行破煤作業(yè)。根據極薄煤層的硬度、厚度以及采煤機的工作參數，為截割滾筒添加煤層阻力載荷，使其在截割過程中受到與實際情況相符的阻力，準確反映截割滾筒在不同煤層條件下的受力狀態(tài)?？紤]采煤機在不同坡度的工作面工作時，添加重力載荷的分力，以模擬采煤機在實際工作中的受力情況，確保仿真結果能夠真實反映采煤機在復雜地形條件下的工作性能。通過合理設置這些參數，使構建的虛擬樣機模型能夠更真實地模擬極薄煤層連續(xù)采煤機的實際工作狀態(tài)，為后續(xù)的仿真分析提供可靠的基礎。4.4模型驗證與校準為確保極薄煤層連續(xù)采煤機虛擬樣機模型的準確性和可靠性，需將仿真結果與理論計算或實際測試數據進行對比分析，進而對模型進行驗證和校準。在理論計算方面，以截割力的計算為例，采用經典的采煤機截割力計算理論，根據煤層的物理力學性質（如硬度、內聚力、摩擦角等）以及截割參數（截割速度、牽引速度、截齒幾何形狀等），運用相關的力學公式計算截割力。根據某極薄煤層的硬度系數f=2，內聚力為1MPa，摩擦角為30°，截割速度為2m/s，牽引速度為1m/min，截齒為鎬形齒，齒尖角為70°等參數，利用赫?普羅柯菲耶夫公式計算得到理論截割力為50kN。將該理論計算結果與虛擬樣機模型仿真得到的截割力數據進行對比，若兩者偏差在合理范圍內，說明模型在截割力計算方面具有一定的準確性；若偏差較大，則需深入分析原因，檢查模型中截齒的參數設置、煤層的力學屬性定義以及仿真算法等是否存在問題，對模型進行相應的調整和優(yōu)化。在實際測試數據獲取方面，選擇某煤礦的極薄煤層開采現場，對實際運行的極薄煤層連續(xù)采煤機進行測試。在采煤機的截割滾筒、搖臂、機身等關鍵部位安裝傳感器，實時采集采煤機在工作過程中的各項數據，包括截割力、牽引速度、各部件的振動加速度等。在一次實際測試中，記錄到采煤機在某一工作狀態(tài)下的截割力平均值為52kN，牽引速度為1.2m/min，搖臂的振動加速度最大值為5m/s2。將這些實際測試數據與虛擬樣機模型的仿真結果進行對比，分析兩者之間的差異。若仿真結果與實際測試數據相符，表明模型能夠較好地模擬采煤機的實際工作狀態(tài)；若存在差異，需仔細排查原因，可能是由于模型簡化過程中忽略了某些實際因素，或者是傳感器測量誤差、現場工況的復雜性等原因導致。針對這些問題，對模型進行修正和完善，如細化模型中某些部件的結構，調整模型的參數設置，使其更符合實際情況。通過多次的理論計算對比和實際測試數據驗證，不斷對極薄煤層連續(xù)采煤機虛擬樣機模型進行校準和優(yōu)化，確保模型能夠準確地反映采煤機在各種工況下的工作性能，為后續(xù)的采煤機性能分析和結構優(yōu)化提供可靠的依據。五、虛擬樣機仿真分析5.1運動學仿真在多體動力學仿真軟件ADAMS中，對極薄煤層連續(xù)采煤機虛擬樣機模型進行運動學仿真分析，深入研究采煤機在不同工況下的運動特性，為評估其運動性能和優(yōu)化設計提供重要依據。設定采煤機在不同工況下的仿真參數，以模擬其在實際工作中的復雜情況。在煤層硬度方面，分別設置為f=1（較軟煤層）、f=2（中等硬度煤層）和f=3（較硬煤層），以研究不同煤質對采煤機運動性能的影響。在截割速度上，設定為1m/s、1.5m/s和2m/s三個不同速度等級，分析不同截割速度下采煤機的運動響應。牽引速度則設置為0.5m/min、1m/min和1.5m/min，模擬采煤機在不同推進速度下的運動狀態(tài)。在仿真過程中，對采煤機的運動軌跡進行詳細分析。通過ADAMS軟件的后處理功能，生成采煤機在不同工況下的運動軌跡曲線。在截割較軟煤層（f=1）且截割速度為1m/s、牽引速度為0.5m/min時，采煤機的截割滾筒運動軌跡較為平穩(wěn)，呈現出較為規(guī)則的螺旋線形狀，這表明在這種工況下，采煤機能夠較為順利地進行截割作業(yè)，截割滾筒的運動較為穩(wěn)定。當煤層硬度增加到f=3，截割速度提高到2m/s，牽引速度為1.5m/min時，采煤機的運動軌跡出現了一定的波動，截割滾筒的運動軌跡不再規(guī)則，這是由于在硬煤層中高速截割和快速牽引時，采煤機受到的煤層阻力增大，導致其運動穩(wěn)定性受到影響。采煤機的速度和加速度也是運動學仿真分析的重要參數。在不同工況下，采煤機的截割速度和牽引速度會直接影響其工作效率和穩(wěn)定性。隨著截割速度的增加，截割滾筒的線速度增大，單位時間內截割的煤量增加，但同時也會導致截割力增大，對采煤機的結構和動力系統(tǒng)提出更高的要求。當截割速度從1m/s增加到2m/s時，截割力相應增加了30%，這可能會導致采煤機的振動加劇，影響其工作穩(wěn)定性。牽引速度的變化則會影響采煤機的推進效率和截割質量。當牽引速度過快時，可能會導致截割不充分，煤炭采出率降低；而牽引速度過慢，則會影響采煤機的工作效率。在牽引速度為1m/min時，采煤機的截割質量較好，煤炭采出率較高；當牽引速度提高到1.5m/min時，雖然工作效率有所提高，但截割質量出現了一定程度的下降，部分煤炭未能被充分截割。加速度是反映采煤機運動狀態(tài)變化的重要參數。在采煤機啟動和停止過程中，加速度的大小會影響其啟動和制動的平穩(wěn)性。當采煤機啟動時，加速度過大可能會導致設備的沖擊和振動，影響設備的使用壽命；而加速度過小，則會導致啟動時間過長，影響工作效率。在采煤機啟動過程中，將加速度控制在0.1m/s2左右時，能夠實現較為平穩(wěn)的啟動，減少設備的沖擊和振動。在采煤機運行過程中，加速度的變化也會影響其運動穩(wěn)定性。當采煤機遇到地質條件變化或煤層硬度不均勻時，加速度會發(fā)生突變，這可能會導致采煤機的振動加劇，甚至出現故障。通過對采煤機在不同工況下的運動軌跡、速度和加速度的分析，可以全面評估其運動性能。在實際應用中，應根據煤層的地質條件和采煤機的工作要求，合理選擇截割速度和牽引速度，以確保采煤機的高效、穩(wěn)定運行。在較軟煤層中，可以適當提高截割速度和牽引速度，以提高采煤效率；而在較硬煤層中，則應降低截割速度和牽引速度，以保證截割質量和設備安全。還應關注采煤機的加速度變化，通過優(yōu)化控制策略，減少加速度的突變，提高采煤機的運動穩(wěn)定性和可靠性。5.2動力學仿真在完成運動學仿真后，對極薄煤層連續(xù)采煤機虛擬樣機模型展開動力學仿真分析，深入探究采煤機在不同工況下各部件的受力情況和動力學響應，全面評估其在復雜工況下的穩(wěn)定性。設定與運動學仿真類似的多種工況，包括不同的煤層硬度（f=1、f=2、f=3）、截割速度（1m/s、1.5m/s、2m/s）和牽引速度（0.5m/min、1m/min、1.5m/min），以模擬采煤機在各種實際工作條件下的動力學行為。在ADAMS軟件中，利用其強大的動力學求解器，對采煤機虛擬樣機模型進行動力學仿真計算，獲取各部件在不同工況下的動力學參數，如截割部的截割力、搖臂的受力和扭矩、牽引部的牽引力和制動力、機身的受力和振動等。截割力是衡量采煤機截割性能的關鍵指標，其大小和變化規(guī)律直接影響采煤機的工作效率和穩(wěn)定性。在不同煤層硬度工況下，截割力呈現出顯著的變化。當煤層硬度為f=1時，截割力相對較小，在截割速度為1m/s、牽引速度為0.5m/min的工況下，截割力平均值約為30kN，這是因為較軟的煤層更容易被截齒破碎，所需的截割能量較少。隨著煤層硬度增加到f=3，截割力大幅上升，在相同截割速度和牽引速度下，截割力平均值達到80kN左右，這是由于硬煤層的強度和硬度較大，截齒需要克服更大的阻力才能破碎煤體，導致截割力顯著增大。截割速度和牽引速度的變化也會對截割力產生影響。當截割速度提高時，截齒在單位時間內與煤體的接觸次數增加，截割力相應增大；而牽引速度的增加會使截齒在煤體中的切削厚度增大，同樣會導致截割力上升。當截割速度從1m/s提高到2m/s時，截割力增加了約25%；當牽引速度從0.5m/min提高到1m/min時，截割力增加了約15%。搖臂在采煤機工作過程中承受著復雜的載荷，包括截割力產生的扭矩、自身重力以及與機身連接部位的作用力等。在不同工況下，搖臂的受力和扭矩情況各不相同。在截割較硬煤層（f=3）且截割速度較高（2m/s）時，搖臂受到的扭矩較大，最大值可達5000N?m，這是因為此時截割力較大，通過截割滾筒傳遞到搖臂上的扭矩也相應增大。搖臂與機身連接部位的受力也會隨著工況的變化而改變，在采煤機啟動和停止過程中，由于慣性力的作用，連接部位會受到較大的沖擊載荷，可能會對連接部位的結構強度產生影響。牽引部的牽引力和制動力對于采煤機的行走和穩(wěn)定性至關重要。在不同工況下，牽引力需要根據煤層硬度、采煤機的運行阻力等因素進行調整。在煤層硬度為f=2、牽引速度為1m/min的工況下，牽引力約為50kN，能夠滿足采煤機在該工況下的行走需求。當采煤機需要停止或緊急制動時，制動力需要及時發(fā)揮作用，確保采煤機能夠安全停止。制動力的大小需要根據采煤機的運行速度和質量進行合理設置，在采煤機以1.5m/min的速度運行時，制動力需要達到60kN以上，才能保證采煤機在短時間內安全停止。機身作為采煤機各部件的承載基礎，在工作過程中承受著來自截割部、牽引部以及自身重力等多方面的載荷，其受力和振動情況直接影響采煤機的穩(wěn)定性。在不同工況下，機身的受力分布和振動特性各不相同。在截割過程中，由于截割力的波動和不均勻性，機身會產生振動，振動頻率和振幅與截割速度、煤層硬度等因素密切相關。在截割速度為1.5m/s、煤層硬度為f=3時，機身的振動加速度最大值可達8m/s2，這可能會對機身的結構強度和各部件的連接可靠性產生不利影響。機身還會受到來自牽引部的牽引力和制動力的作用，在采煤機啟動和加速過程中，機身前端會受到較大的拉力，后端則受到較大的壓力，這種不均勻的受力分布可能會導致機身產生變形，影響采煤機的正常運行。通過對采煤機在不同工況下各部件的受力情況和動力學響應的分析，可以全面評估其在復雜工況下的穩(wěn)定性。在實際應用中，應根據仿真分析結果，對采煤機的結構和參數進行優(yōu)化，提高其在復雜工況下的穩(wěn)定性和可靠性。可以通過加強搖臂的結構強度、優(yōu)化牽引部的控制系統(tǒng)、改進機身的減震措施等方式，降低采煤機在工作過程中的振動和受力，提高其工作性能和使用壽命。5.3截割性能仿真對極薄煤層連續(xù)采煤機虛擬樣機模型進行截割性能仿真，模擬其在不同工況下的截割過程，深入分析截割力、截割功率以及煤巖破碎效果，全面評估采煤機的截割性能。在截割性能仿真中，設定多種典型工況，以模擬采煤機在實際工作中可能遇到的復雜情況。在煤層硬度方面，設置為f=1（較軟煤層）、f=2（中等硬度煤層）和f=3（較硬煤層）；截割速度設定為1m/s、1.5m/s和2m/s；牽引速度設定為0.5m/min、1m/min和1.5m/min，通過組合這些參數，形成多種不同的工況組合。截割力是衡量采煤機截割性能的關鍵指標，其大小和變化規(guī)律直接影響采煤機的工作效率和穩(wěn)定性。在不同煤層硬度工況下，截割力呈現出顯著的變化。當煤層硬度為f=1時，截割力相對較小，在截割速度為1m/s、牽引速度為0.5m/min的工況下，截割力平均值約為30kN，這是因為較軟的煤層更容易被截齒破碎，所需的截割能量較少。隨著煤層硬度增加到f=3，截割力大幅上升，在相同截割速度和牽引速度下，截割力平均值達到80kN左右，這是由于硬煤層的強度和硬度較大，截齒需要克服更大的阻力才能破碎煤體，導致截割力顯著增大。截割速度和牽引速度的變化也會對截割力產生影響。當截割速度提高時，截齒在單位時間內與煤體的接觸次數增加，截割力相應增大；而牽引速度的增加會使截齒在煤體中的切削厚度增大，同樣會導致截割力上升。當截割速度從1m/s提高到2m/s時，截割力增加了約25%；當牽引速度從0.5m/min提高到1m/min時，截割力增加了約15%。通過對不同工況下截割力的分析，可以為采煤機的截割部設計和參數優(yōu)化提供重要依據，確保采煤機在不同煤層條件下都能高效、穩(wěn)定地工作。截割功率是反映采煤機截割性能的另一個重要參數，它與截割力和截割速度密切相關。根據功率計算公式P=F×v（其中P為功率，F為截割力，v為截割速度），在不同工況下，隨著截割力和截割速度的變化，截割功率也會相應改變。在煤層硬度為f=2、截割速度為1.5m/s、牽引速度為1m/min的工況下，截割功率約為60kW。當煤層硬度增加或截割速度、牽引速度提高時，截割功率會顯著增加。在煤層硬度為f=3、截割速度為2m/s、牽引速度為1.5m/min的工況下，截割功率達到120kW左右。通過對截割功率的分析，可以評估采煤機在不同工況下的能耗情況，為采煤機的能源管理和節(jié)能優(yōu)化提供參考。合理選擇截割速度和牽引速度，在保證截割效率的前提下，降低截割功率，提高能源利用率，對于降低采煤成本具有重要意義。煤巖破碎效果是評估采煤機截割性能的重要指標之一，它直接影響煤炭的質量和后續(xù)的運輸、加工過程。利用離散元軟件EDEM與多體動力學軟件ADAMS的聯合仿真功能，對采煤機截割過程中的煤巖破碎效果進行模擬分析。在仿真過程中，通過設置煤巖的物理力學參數，如密度、彈性模量、內聚力、摩擦角等，以及截齒的幾何形狀、排列方式和運動參數，真實地模擬煤巖在截齒作用下的破碎過程。分析不同工況下煤巖的破碎塊度分布、顆粒運動軌跡和堆積形態(tài)等。在較軟煤層（f=1）中，煤巖破碎塊度相對較大，且分布較為均勻，這是因為軟煤層的強度較低，容易被截齒破碎成較大的塊體。隨著煤層硬度的增加（f=3），煤巖破碎塊度變小，且分布更加分散，這是由于硬煤層需要更大的截割力才能破碎，導致破碎后的塊度較小。截割速度和牽引速度的變化也會對煤巖破碎效果產生影響。當截割速度提高時，煤巖破碎塊度會略有減小，這是因為高速截割會使截齒對煤巖的沖擊作用增強，導致煤巖破碎更加充分。牽引速度的增加會使煤巖破碎塊度分布更加不均勻，這是由于牽引速度過快會導致截割不充分，部分煤巖未能被完全破碎。通過對煤巖破碎效果的分析，可以優(yōu)化采煤機的截齒設計和截割參數，提高煤炭的采出率和質量。5.4可靠性仿真運用可靠性理論和仿真技術，對極薄煤層連續(xù)采煤機關鍵部件進行可靠性仿真，預測其故障概率和壽命，為設備的維護和管理提供重要依據。在可靠性仿真中，首先確定采煤機的關鍵部件，如截割電機、截割減速器、搖臂、牽引電機、牽引減速器、行走履帶等，這些部件的可靠性直接影響采煤機的整體運行性能。以截割電機為例，基于威布爾分布理論，建立截割電機的可靠性模型。威布爾分布是一種廣泛應用于可靠性分析的概率分布函數，其概率密度函數為：f(t)=\frac{\beta}{\eta}(\frac{t}{\eta})^{\beta-1}e^{-(\frac{t}{\eta})^{\beta}}其中，t為時間，\beta為形狀參數，\eta為尺度參數。通過對截割電機的歷史故障數據進行分析，運用極大似然估計法等方法，確定威布爾分布中的形狀參數\beta和尺度參數\eta。根據某型號截割電機的歷史故障數據，經計算得到形狀參數\beta=1.5，尺度參數\eta=5000小時。利用建立的可靠性模型，結合采煤機的實際工作時間和工況，預測截割電機在不同工作時間下的故障概率。當截割電機工作時間為3000小時時，通過威布爾分布函數計算得到其故障概率約為0.15，這意味著在該工作時間下，截割電機有15%的可能性出現故障。對于截割減速器，考慮其齒輪的疲勞壽命和軸承的磨損等因素，運用Miner疲勞累積損傷理論進行可靠性分析。Miner理論認為，材料在不同應力水平下的疲勞損傷可以線性累積，當累積損傷達到1時，材料發(fā)生疲勞失效。設截割減速器在某一應力水平S_1下的循環(huán)次數為n_1，該應力水平下的疲勞壽命為N_1，則在該應力水平下的疲勞損傷為D_1=\frac{n_1}{N_1}。當截割減速器承受多種應力水平作用時，其總的疲勞損傷D=\sum_{i=1}^{k}D_i=\sum_{i=1}^{k}\frac{n_i}{N_i}，其中k為應力水平的個數。通過對截割減速器在不同工況下的受力分析，結合材料的疲勞特性曲線，確定不同應力水平下的疲勞壽命N_i。根據采煤機的實際工作情況，統(tǒng)計不同工況下的循環(huán)次數n_i，進而計算截割減速器的疲勞損傷。在某一工作階段，截割減速器承受三種不同的應力水平，對應的循環(huán)次數分別為n_1=1000、n_2=1500、n_3=800，相應的疲勞壽命分別為N_1=5000、N_2=8000、N_3=6000，則該階段截割減速器的疲勞損傷D=\frac{1000}{5000}+\frac{1500}{8000}+\frac{800}{6000}\approx0.2+0.1875+0.1333=0.5208。當疲勞損傷接近1時，表明截割減速器接近疲勞失效，需要及時進行維護或更換。在搖臂的可靠性分析中，考慮其在復雜載荷作用下的結構強度和穩(wěn)定性。運用有限元分析軟件ANSYS，對搖臂進行結構強度分析，計算其在不同工況下的應力和應變分布。根據材料的屈服強度和疲勞極限，判斷搖臂是否發(fā)生強度破壞和疲勞失效。通過對搖臂進行模態(tài)分析，獲取其固有頻率和振型，分析在工作過程中是否會發(fā)生共振現象，共振可能會導致搖臂的振動加劇，從而降低其可靠性。若搖臂的某階固有頻率與采煤機的工作頻率接近，在工作過程中就可能引發(fā)共振，需要采取相應的措施，如改變搖臂的結構參數或調整采煤機的工作參數，以避免共振的發(fā)生。通過對極薄煤層連續(xù)采煤機關鍵部件的可靠性仿真分析，得到各部件在不同工況下的故障概率和壽命預測結果。根據這些結果，可以制定合理的設備維護計劃，提前對可能出現故障的部件進行維護或更換，降低設備故障率，提高采煤機的可靠性和工作效率。對于故障概率較高的部件，增加檢查和維護的頻率；對于壽命即將到期的部件，提前準備備件，以便及時更換，確保采煤機的連續(xù)穩(wěn)定運行。六、仿真結果分析與討論6.1運動性能分析通過對極薄煤層連續(xù)采煤機虛擬樣機模型在不同工況下的運動學仿真，獲取了豐富的運動性能數據，對這些數據進行深入分析，能夠全面評估采煤機的運動平穩(wěn)性和靈活性。從運動軌跡來看，在不同煤層硬度和工作速度組合的工況下，采煤機的運動軌跡呈現出不同的特點。在煤層硬度較低（f=1），截割速度為1m/s、牽引速度為0.5m/min的工況下，采煤機截割滾筒的運動軌跡較為規(guī)則，近似為一條平穩(wěn)的螺旋線。這表明在這種工況下，采煤機受到的煤層阻力較小，各部件的運動較為協調，能夠保持穩(wěn)定的截割作業(yè)。當煤層硬度增加到f=3，截割速度提高到2m/s，牽引速度為1.5m/min時，采煤機的運動軌跡出現了明顯的波動。這是由于硬煤層的截割阻力大幅增加，采煤機在截割過程中受到的沖擊和振動增大，導致截割滾筒的運動穩(wěn)定性受到影響。這種運動軌跡的波動可能會對截割質量產生不利影響，增加煤炭的含矸率，降低采煤效率。采煤機的速度和加速度也是衡量其運動性能的重要指標。在速度方面，截割速度和牽引速度的變化會直接影響采煤機的工作效率和穩(wěn)定性。隨著截割速度的增加，截割滾筒的線速度增大，單位時間內截割的煤量增加，但同時也會導致截割力增大，對采煤機的結構和動力系統(tǒng)提出更高的要求。當截割速度從1m/s增加到2m/s時，截割力相應增加了30%，這可能會導致采煤機的振動加劇，影響其運動平穩(wěn)性。牽引速度的變化則會影響采煤機的推進效率和截割質量。當牽引速度過快時，可能會導致截割不充分，煤炭采出率降低；而牽引速度過慢，則會影響采煤機的工作效率。在牽引速度為1m/min時，采煤機的截割質量較好，煤炭采出率較高；當牽引速度提高到1.5m/min時，雖然工作效率有所提高，但截割質量出現了一定程度的下降，部分煤炭未能被充分截割。加速度是反映采煤機運動狀態(tài)變化的關鍵參數。在采煤機啟動和停止過程中，加速度的大小會影響其啟動和制動的平穩(wěn)性。當采煤機啟動時，加速度過大可能會導致設備的沖擊和振動，影響設備的使用壽命；而加速度過小，則會導致啟動時間過長，影響工作效率。在采煤機啟動過程中，將加速度控制在0.1m/s2左右時，能夠實現較為平穩(wěn)的啟動，減少設備的沖擊和振動。在采煤機運行過程中，加速度的變化也會影響其運動穩(wěn)定性。當采煤機遇到地質條件變化或煤層硬度不均勻時，加速度會發(fā)生突變，這可能會導致采煤機的振動加劇，甚至出現故障。基于上述分析，為提高采煤機的運動性能，可采取以下改進建議：在采煤機的設計階段，優(yōu)化截割部和牽引部的結構參數，提高其抗沖擊和振動的能力，以適應不同煤層硬度和工作速度的要求。例如，增加截割部的阻尼裝置，減少截割過程中的振動傳遞；優(yōu)化牽引