EBH300A悬臂式横轴掘进机是根据中国矿业大学(北京)、中煤能源、冀中能源联合承担的“煤矿井下采掘装备遥控关键技术”国家高技术项目“863”计划下设2个课题中的课题一:“掘进机远程控制技术及检测系统(课题编号2008AA062201)”要求,由石家庄煤矿机械公司研制的煤矿巷道煤岩掘进机。悬臂式掘进机是煤矿长臂工作面开采巷道掘进的主要装备,分为纵轴式和横轴式两种类型。与现用于山体和地下交通隧道开拓用盾构式掘进机有所不同,盾构式掘进机采用多组盘形刀具切削岩土隧道,具有切削较硬的岩石的能力,如欧洲用于穿越阿尔卑斯山的大型隧道盾构机;而悬臂式掘进机采用旋转滚筒上固定安装的诸多截齿截割煤或半煤岩,适用于煤矿井下煤巷或软岩巷道掘进。由于煤矿井下复杂多变的地质条件是大自然形成的,在臂式掘进机进行煤矿煤巷或软岩巷道掘进过程中常会遇到较硬的煤岩,此时,臂式掘进机会遭遇截割硬岩的冲击载荷,截齿的强度及耐磨性、截割部的抗冲击振动性能变得非常重要,因而成为悬臂式掘进机研究开发的热点及技术关键。目前研究煤矿井下巷道盾构机也在进行中,但由于煤矿井下巷道比铁路隧道狭小曲折,不适于大型装备,而体积质量小的盾构机难以承受切割硬岩的冲击振动。臂式掘进机在今后相当长时期仍是煤矿井下半煤岩巷道掘进不可替代的主力装备,而对于坚硬的岩巷掘进,爆破、装岩是唯一的选择。针对悬臂式掘进机研究开发的热点及技术关键问题,本文对EBH300A悬臂式横轴掘进机截割部的结构动态特性进行深入研究。由于掘进机进行巷道掘进工作过程中截割部在不断改变位置和姿态,驱使截割头做上、下、左、右方向的连续运动,从而截割出要求的巷道断面。截割部位姿改变使掘进机整体位姿也发生了变化,因此,截割部及掘进机进行巷道掘进工作过程中受力状态及结构动态特性变化很大,直接影响截割煤岩的能力和效率。本文通过对掘进机及截割部的位姿、运动特性及结构动态特性的研究,揭示掘进机截割部在工作过程中的结构运动、结构振型动特性规律,为结构优化设计、提高承载能力及强度、状态监测及开发出性能更优的掘进机提供基础依据。本论文工作特色为:(1)科学研究与工程技术难题相结合,针对掘进机截割部在煤矿井下煤岩掘进工作中面临的问题,通过掘进机截割部有限元动态特性分析,将掘进机截割部的工程技术问题概括为定量的精确的科学问题研究。(2)将掘进机截割部理论研究与工程实践中应用掘进机截割部的实际工作条件相结合,使之符合煤矿生产实际。对掘进机截割部理论分析及数值计算与生产实践工程相结合,使研究结果更接近工程实际。在综合煤矿巷道掘进机研究成果的基础上,应用机器理论与机构学知识结合机械动力学分析软件和结构分析有限元软件,对ebh300a型悬臂式横轴掘进机运动学及结构动态特性进行了大量计算和系统分析,详细研究了该掘进机的机构运动规律及截割部结构振动模态。完成的主要工作及取得的成果如下:1.建立了ebh300a型悬臂式横轴掘进机机械结构三维实体模型,该实体模型包括截割部、装载部、机身及转台、支撑部、行走部及其包所属装配零部件。为该类型掘进机的进一步研发设计提供了基础模型数据。2.构建了ebh300a型悬臂式横轴掘进机虚拟样机,根据工程设计及实际应用功能实现虚拟样机按给定的操作输入及输出运动。为该掘进机运动及动力学分析和数值计算模拟奠定了基础。3.建立了ebh300a型悬臂式横轴掘进机运动位姿的数学模型,提出运动位移方程式。该模型方程表示了掘进机在巷道开拓截割煤岩过程中,掘进机的位置和姿态在工作中是在三维空间内动态变化的,截割头的位置和运动决定了截割巷道的的形状、尺寸及空间位置,而截割头的位置是由掘进机的位置和姿态决定的。4.应用机械动力学分析软件完成了ebh300a型悬臂式横轴掘进机运动位移、速度及加速度分析计算;综合分析影响截割头的位置和运动的截割臂、转台、铲板、后支撑机构的运动位置、速度、加速度,揭示其中的规律。为ebh300a悬臂式掘进机遥控与监测技术及设计开发提供依据。5.建立了ebh300a型悬臂式横轴掘进机结构有限元模型,为解决这一大型复杂装配结构分析难题,对截割部、转台、机身、铲板、后支撑等完成了大量细致的前处理工作。本模型是在proe三维实体装配模型的基础上,结合ansys的建模功能,将原模型进行细化处理,采用六面体和四面体混合建模的方法,从而有效的控制了网格总数量在计算机能处理的范围内;对于关键部位进行了网格细化,非关键部位进行了简化处理;对于装配零件之间采用了添加接触的方式建立联系,这比直接利用网格相连的方法能更好的模拟实际工况。对于掘进机的重点截割部,网格的密集度要高于其它部位,此处的接触关联采用的都是非线性接触,保证高的计算精度及符合工程实际。建立掘进机机械结构的有限元分析模型以工程图为依据,能够真实反映实际掘进机截割部关键区域的情况,同时科学简化对结构振动冗余的部分,减少网格数量,避免运算量过大而求解不收敛。6.对ebh300a型悬臂式横轴掘进机整体结构进行了振动模态求解计算,分析了截割部十阶低频模态及特性。研究发现,该掘进机整体最低的前十阶频率分别为:第一、二阶频率分别是0.096hz和0.333hz;第五、六阶频率分别是2.336hz和11.98hz;第九、十阶频率分别是15.49hz和17.28hz;第三、四、七、八阶模态振幅较小。通过对截割部截割臂与伸缩筒接触装配结构模态、不同频率及振型的振幅计算分析,揭示了实际工作过程中在截割煤岩冲击力作用下截割部将发生不同形态的振动,由此产生的截割臂与伸缩筒不均匀接触,可能造成润滑不良、发生磨损。7.在“863”项目研制的样机上进行了振动测试,获取切割头以及摇臂结构的振动实验数据,通过对实测数据频谱分析和傅立叶积分得到幅频特性和测点振动速度及位移曲线。为研究横轴式掘进机切割头以及摇臂结构的振动特性、分析振动模态提供参考依据。创新点:1.建立的ebh300a型悬臂式横轴掘进机运动位姿的数学模型及运动位移方程表示了掘进机在巷道开拓截割煤岩过程中位置和姿态在三维空间内动态变化与结构参数的关系,反映了截割头位置和运动与截割巷道的形状、尺寸及空间位置的关系。2.应用机械动力学分析软件完成了ebh300a型悬臂式横轴掘进机转台、截割臂及截割头位移、速度、加速度及其产生惯性力的分析计算,揭示了机构运动变化规律,为ebh300a悬臂式横轴掘进机遥控与监测技术及设计开发提供依据。3.建立了ebh300a型悬臂式横轴掘进机机械结构三维实体模型和有限元结构振动模态分析模型,分别对掘进机整体和截割部完成了结构振动模态有限元求解,得出各阶模态振型数据及云图,分析了主要影响该掘进机动态性能的低阶频率振型变化规律。为研究这种大型重载荷掘进机结构的截割硬煤岩及抗振能力奠定基础。4.在“863”项目研制的样机上进行截割部振动测试,获取切割头以及摇臂结构的振动实验数据,通过对实测数据频谱分析和傅立叶积分得到幅频特性和测点振动速度及位移曲线。综合研究成果得出结论如下:1.建立的ebh300a型悬臂式横轴掘进机机械结构三维实体模型及虚拟样机正确,充分体现了实际掘进机的结构特征及运动特征,可作为ebh300a型悬臂式横轴掘进机研究、设计及开发的基础数据模型。2.建立的ebh300a型悬臂式横轴掘进机运动位姿的数学模型及运动位移方程表示了掘进机在巷道开拓截割煤岩过程中位置和姿态在三维空间内动态变化与结构参数的关系,反映了截割头位置和运动与截割巷道的形状、尺寸及空间位置的关系。3.应用机械动力学分析软件完成的ebh300a型悬臂式横轴掘进机转台、截割臂及截割头位移、速度及加速度的分析计算揭示了机构运动规律,可以作为ebh300a悬臂式掘进机遥控与监测技术及设计开发的依据。4.对EBH300A型悬臂式横轴掘进机整体结构进行了振动模态求解计算,分析了截割部十阶低频模态及特性。5.在“863”项目研制的样机上进行的振动测试,获取切割头以及摇臂结构的振动实验数据是由安置在测点上的加速度传感器输出信号获取的,该实侧信号与加速度传感器安装位置、方向及与掘进机测点接触情况有关,同时传感器及测试系统的误差对信号也有不同程度的影响,故测试数据是实际情况多因素综合作用结果。在本论文工作进行过程中,EBH300A悬臂式横轴掘进机的研制开发工作及煤矿井下工业性试验同期进行。在多家大型矿业集团进行了应用,如新汶矿业集团新巨龙矿、开滦集团钱家营煤矿、黑龙江龙煤矿业集团峻德矿、新汶矿业集团华恒矿等等。井下实践证明,EBH300A岩石掘进机适应井下岩石硬度f12以内的岩石巷道掘进工作,近几年内制造完成的该型号掘进机在多个煤矿巷道掘进中成功应用。通过大量系统的研究工作,作者取得了一些有意义的成果。对EBH300A悬臂式横轴掘进机整体及截割部深入分析结构动态特性国内外鲜有涉及,仍有很多问题有待深入探索研究。