采煤机器人行进报告开题报告(共8页)

1、 中 北 大 学毕业设计开题(ki t)报告学 生 姓 名：姚蔚峰学 号：0402141028学 院、系：机械工程及自动化学院 机械自动化系专 业：机械设计制造及其自动化设 计 题 目：小型采煤机器人行进机构的设计与仿真指导教师:宋胜涛 2008年 3 月 28 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述课题名称 :小型采煤机器人行进机构的设计与仿真关键词: 行走机构；行走轮和销齿；运动学特性；弯曲强度；接触强度；非正常失效;有限元分析1.项目研究的背景 我国是煤炭大国,拥有丰富的煤炭资源.而如今,煤炭已成国家之间竞争

2、所依赖的重要战略资源.那么确保采煤企业在工作条件最艰苦,安全条件最差的采煤工作面上能够更有效率,更又安全保障的、稳定的进行采煤工作就显得尤为重要.因此急需加强采煤工作当中采煤机器人的相关研究, 设计一种智能的远程控制的小型采煤机器人来代替人工劳作。采煤工作面机器人的现有基础是采煤机,经过几十年的改进和开发,到上世纪五十年代出现了滚筒式采煤机,奠定了现代采煤机的基本架构,因此采煤机器人实质上是采煤机的智能化,使之成为一台自主式的智能机器. 滚筒采煤机的使用，使落煤、装煤、运煤三道工序一次完成，大大简化了采煤工艺过程，缩短了辅助生产时间，可比较容易地组织以小班为基础的多循环作业。实现稳产、高产.而

3、且极大地改善了回采工作面的劳动条件、使采煤工人从笨重体力劳动中解放出来。采煤机的大量使用，也改善了回采工作面的技术经济指标。因此本设计以最基本的滚筒式采煤机的行走机构为切入点开始研究. 【1】2.采煤机行走机构的发展自从第一台采煤机诞生到现代大功率交流电牵引采煤机，采煤机随时代的发展逐步地走向完善、成熟、自动化。作为采煤机重要组成部分的行走部也发生了巨大的变化. 我国于1954年在原苏联的大力援助下制造出中国第一台仿“顿巴斯”深截式采煤机，即顿巴斯-型采煤康拜因，其行走部的行走机构采用卷绳筒和钢丝绳牵引行走；上世纪60年代初，在引进波兰采煤机后，经过技术消化，开始研制生产MLQ系列的浅截式单滚

4、筒采煤机，其行走部的行走机构改为摩擦绳轮和悬挂在工作面全长上的钢丝绳牵引行走（后又改进为链轮和牵引链的牵引行走）；上世纪60年代末70年代初我国开始研制双滚筒采煤机，其行走机构仍采用链轮和牵引链牵引行走，但链轮由平置改为立置。以上行走机构主要存在如下的问题：（1）钢丝绳或牵引链在牵引力的作用下都蓄积了极大的能量，一旦发生断裂，对工作人员和设备的安全都会带来严重的威胁；（2）钢丝绳或牵引链又长又笨，磨损严重、且会产生很大的噪音；（3）采用这种行走机构的采煤机运行很不平稳、载荷脉动大，从而加剧了截齿、滚筒和行走部元件的损坏。所以当时本行业人员一直在积极思考着,还有没有其它的行走机构形式。【2】上世

5、纪80年代采煤机的行走机构发生了革命性的变化:由有链牵引到无链牵引（轮轨式行走机构），即行走传动装置采用行走轮行走轨，其特点是行走平稳，基本消除了链牵引行走的缺点。经过多年的实际使用考核，且多次改进，至今为止，采煤机行走机构基本定型为齿轨销轨式无链牵引。即使现代的大功率采煤机,仍然沿用这种牵引行走方式。 齿轮一一销轨式: 这是当前使用比较普遍的形式，包括:德国艾柯夫公司的Eicotrac;以及前苏联的MRH,波兰的PottracZ, PoltraclIo以及英国的Pin Wee。这种方式是由渐开线或摆线齿轮在销轨上与圆形截面的销柱啮合，利用啮合反作用力牵引采煤机前进。销轨可以是固定的，也可以是

6、滑动的。在固定式销轨中，一节溜槽设有一段固定销轨和两个跨接的活动销轨(半段销轨)固定在销轨座的长孔中。所以在溜槽相同弯曲角下销轨连接处的节距误差只有同类系统的一半。这种系统的牵引力大，当采煤机使用在倾斜煤层或厚煤层中而需牵引力较大时，可增设辅助牵引部或双牵引。该系统可用于大倾角煤层。但由于齿轮与截面啮合中，滑动率较大，在销轨水平角度改变时齿轮啮合面积减小，造成齿轮的压溃和点蚀。为改变以上缺点，现在德国艾柯夫公司已把销轨中的销柱改为鼓形齿，齿轨强度大大提高，啮合性能得到了改善。【3】3.现代采煤机行走机构简介采煤机行走部的作用是使采煤机沿工作面刮板输送机的中部槽导向行走，包括行走调速装置、行走传

7、动装置和行走机构。行走机构是采煤机行走部的执行机构，其一旦出现问题将导致整个采煤机停止运行，严重影响采煤机的正常运行，所以研究行走机构可靠性对提高采煤机整机工作可靠性是十分必要的。现代采煤机的行走机构的工作原理如下：行走传动箱一侧出轴的主动齿轮与行走轮同轴的从动齿轮（或主动齿轮直接与行走轮啮合）相啮合，行走轮与铺设在工作面刮板输送机中部槽上的销轨相啮合，将行走轮的圆周运动变成直线运动来驱动采煤机行走。导向滑靴与行走轮被铰接在同一轴上，主要使行走轮与销齿保证正常啮合并导向。采煤机运行过程中行走轮主要承受牵引力，导向滑靴在销排上支撑采煤机的部分重力并起到导向作用，同时还承受部分采煤的载荷。【2】4

8、.研究的主要内容及相关研究方法采煤机行走机构的核心部件为行走轮和销排销轨。因此对行走轮和销排销轨的研究尤为重要.目前,在它们的分析方法方面较以前有很大不同. 原来对行走轮的弯曲强度和接触强度的有限元分析基本都是二维情况下的，现在随三维CAD软件、有限元软件及高性能计算机的发展成熟对其进行三维分析已不存在技术上的困难。 在这个课题的诸项研究中,对齿轮的研究最为重要. 首先建立齿廓曲线的数学方程,分析了此啮合传动装置的运动学特性.然后运用PRONE软件，建立一个精确参数化圆柱齿轮模型进行运动学仿真.此参数化模型还能根据输入的一些关键参数而改变尺寸和形状。利用ANSYS的数据接口，精确的将在PRON

9、E软件中生成的几何数据导入ANSYS，而后准确地在该模型上划分网格并求解,完成基于有限元分析的齿轮弯曲应力校核和接触应力校核及各种状态下的应力分析. 【4】本设计着重采用三维设计软件完成齿轮和销排销轨的数学方程描述及运动学仿真,分析啮合传动装置的运动学特性,并对它们的弯曲强度和接触强度进行有限元分析,还要进行导向滑靴在各种工作状况下的受力情况下的探索性分析,以便得出采煤机行走机构非正常损坏、失效的一些原因和规律.【2】【4】计算机运动仿真:在科学研究和生产实践中，由于受客观条件的限制常常不能对所研究的对象直接进行试验。在这种情况卜，可采用间接试验的方法，即建立一个与所研究的对象或过程相似的模型

10、，通过模型间接地研究原形的规律性。这种间接试验技术就是系统仿真技术，根据模型种类，系统仿真主要分为物理仿真和数学仿真。物理仿真是根据真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验;数学仿真是根据真实系统的数学关系构造数学模型，并在数学模型上进行试验。由于数学仿真一般是在计算机上对系统的数学模型进行试验，故数学仿真就是通常所说的计算机仿真。【5】有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目

11、，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。有限元方法的基本理论要用到数学、力学方面的各种知识。【4】本设计采用的三维设计软件是PROE/ENINEER Wildfile(野火版),是PTC(美国参数技术)公司于2003年4月11日正式宣布推出的第四代CAD产品. PROE/ENINEER是一款”面向产品”设计的三维设计软件系统,自问世以来,现已成为世界上最普及的三维CAD/CAM系统的标准软件,被广泛应用于航空航天机械电子汽车家电玩具等各行各业中.PROE/ENINEER功能强大,囊括了零件设计大型组件装配产品组立模具开发NC加工钣金件设计造型设计自动量测机构仿真设计有限元分析数据

12、库管理电缆布线以及印刷线路板设计等功能于一体,其中最擅长的是实体造型加工以及大型组件装配管理和模具结构设计.它的出现改变了传统的CAD/CAM作业方式,参数化设计及全关联性数据库使产品设计变得更加容易,大大缩短了用户的开发时间.【6】采煤机的工作参数即牵引速度和滚筒转速，是影响采煤机的生产率、载荷波动和截割比能耗的重要因素。实践表明，增大牵引速度可以提高生产率、降低截割比能耗，但却使滚筒载荷加大，所需截割功率增加；而提高转速可以降低滚筒载荷，但同时降低截割效率、增大截割比能耗和粉尘量。为此，在本设计中通过优化采煤机行走机构的方法来确定最佳的工作参数从而改善采煤机的工作性能和工作面环境具有重要意

13、义。【7】 文献【7】主要介绍了采煤机工作参数的优化设计,本设计参考有关牵引速度方面的研究.文献【8】主要介绍了采煤机工作过程中摩擦现象的研究.文献【9】主要介绍了齿轮齿根断裂中裂纹的影响,研究了渐开线齿轮齿根裂纹的二维断裂力学特性.文献【10】主要介绍了采煤机电机控制方面的研究.本设计主要参考电机选择方面的内容.文献【11】主要介绍了冲击式采煤机传动系统仿真的研究,虽然本设计研究的内容与它不同,但可以借鉴它对传动系统仿真的研究方法.文献【12】【13】主要介绍了齿轮传动系统的优化研究.文献【14】主要介绍了煤矿采煤机齿轮的润滑技术.文献【15】主要介绍了采煤机器制造业中公差与配合的具体使用.

14、参考文献刘景涛.滚筒采煤机组使用中若干技术问题的探讨王振乾.滚筒式采煤机行走机构的运动学分析及强度研究. 硕士学位论文.上海:煤炭科学总院上海分院,2007黄斌.采煤机链轨式无链牵引系统的分析及其方法的研究 .硕士学位论文.北京：煤炭科学研究总院，2000陈建辉.圆柱齿轮的三维参数化建模与应力分析. 硕士学位论文. 西安：西北工业大学，2005李萍.采煤机的动力学模型及其仿真研究.硕士学位论文.辽宁省埠新市：辽宁工程技大学祝凌云 ,李斌.Pro/ENGINEER 运动仿真和有限元析. 北京：人民邮电出版社，2004宋纪侠，李晓豁，赵树强. 采煤机工作参数的优化设计. 辽宁工程技术大学学报, 2

15、005,24:184186康晓敏 .对采煤机工作过程中摩擦现象的研究.硕士学位论文.辽宁省埠新市：辽宁工程技术大学，2002顾浩. 渐开线齿轮齿根断裂力学分析. 硕士学位论文.南京: 南京航空航天大学,2007李天立. 交流电牵引采煤机电控系统的研制.硕士学位论文.西安:陕西科技大学.2002张勇.冲击式采煤机传动系统仿真的研究. 硕士学位论文.太原: 太原理工大学.2001郑光泽.齿轮传动系统动态性能优化分析研究. 硕士学位论文. 重庆：重庆大学，2004王晓晨，朱传敏，宋孔杰等.齿轮动态性能的结构参数与齿形的优化研究. 机械科学与技术,1998,17(5):735736马秀双. 浅谈煤矿采

16、煤机的润滑技术. 科苑论谈苏联维耶布拉果诺捷什金著, 魏龙昌译. 采煤机器制造业中的公差与配合, 第1版.北京：煤炭工业出版社，1956，251黄燕钧，陈群，高思颖.用Pro/E进行圆柱齿轮的三维参数化特征造型设计. 桂林航天工业高等专科学校学报，2003，（3）：2023邹慧君等.机械原理. 北京：高等教育出版社，2004濮良贵,纪明刚.机械设计,第7版. 北京：高等教育出版社.2006吴宗泽,罗圣国. 机械设计手册,第3版. 北京：高等教育出版社.2006刘鸿文.材料力学, 第4版. 北京：高等教育出版社,2004毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途

17、径）：1.目前采煤机行走机构出现的一些问题及解决方法小型采煤机器人的现有基础是作为采煤重点设备之一的采煤机,对采煤机器人的研究应以它为基础.目前为止, 采煤机已发展到了比较智能化、比较令人满意的程度。但是由于煤矿生产条件恶劣、多变导致采煤机在实际使用中出现了各种非正常破坏、失效等问题。在采煤机的齿轮传动系统中,齿根断裂是造成齿轮失效的主要因素,同时还存在链轨链条连接链环在使用中会出现断裂的问题.因此本设计才要对齿轮和销排销轨进行运动仿真及弯曲强度和接触强度的有限元分析, 分析三维实体模型的干涉状态,并把它们的运动过程按照已设定好的运动轨迹模拟出来.直观的展现在设计者眼前,并得到相关的分析结果,

18、对数据进行科学的处理和分析,从而优化行走机构的传动系统,满足设计和使用要求.2.设计基本任务 本设计要求设计者对以掘进式采煤机为基础，设计开发出小型采煤机器人。主要完成行进机构和其传动系统以及外观进行设计，并对采煤机构关键构件应用三维设计软件建模和运动仿真。设计数据如下：可掘断面积：14M2最大高度：3.45m最大宽度：4.0m电机功率：30KW行驶速度：10m/min3.毕业设计的具体工作内容本论文将参考MG250/600WD型采煤机进行设计。在借鉴前人对采煤机整机力学分析和行走机构研究成果的基础上，着重对采煤机的齿轮销轨式行走机构进行以下几个方面的研究。通过建立行走机构执行部件行走轮和销齿

19、齿廓曲线的数学方程，分析了此啮合传动装置的运动学特性；应用PROE/ENINEER软件对行走轮与销齿的啮合进行详细的运动仿真分析.从力学方面对行走轮和销齿啮合进行了弯曲强度和接触强度的有限元分析，并对行走机构核心部件之一的导向滑靴在各种工作状况下的受力情况进行分析结合实际情况，简单分析行走机构非正常失效的其它可能原因；根据以上所有工作，探索行走轮和导向滑靴非正常破坏、失效的主要原因，并给出一定的结论。4.采煤机行进机构的设计方法(1)传统的设计方法是工程师在大脑里构思三维的产品，再通过大脑的几何投影，最后反映到二维的工程图上; 在整个设计过程中，工程师有一大半的工作量是在三维实体和二维工程图的

20、相互转换和繁琐的查表和计算中。 而制造工人又要把二维的图纸在大脑中反映出三维的实体然后进行加工制造, 其整个过程可以表示为:工程师 三维概念设计 手工二维工程图设计 工人读图 还二维图为三维实体 加工制造 由于受设计工具和方法的限制, 传统设计方法中设计师很难设计出复杂、精确的产品。新产品开发速度缓慢，对于复杂的产品，开发极为困难.(2)利用现代的CAD技术将改变人们的传统设计方法和过程。 工程师直接操作电脑，利用CAD软件在计算机上进行零件设计，产品的装配；产品的制作过程几乎与真实的产品制造没有差别，计算机屏幕上的产品就是未来制造出的产品(当然现有的设备和工艺能制造出来)。 并能在设计过程中, 利用CAD技术完成工程师手工难以完成和低效率的工作， 如产品零件装配后的干涉检查、零件的不合理结构检查、 机构的运动模拟, 零件和装配体的物理特性计算(重心位置、重量、惯性矩等)，发现实际装配过程中可能出现的问题。其整个过程可描述为： 工程师 自动+手工干预三维概念设计 二维工程图+轴测图 工人读图 还二维图为三维实体 加工制造 把上面的两个过程进行比较，可以发现，设计师的二维工程图设计工作量大部分由CAD软件自动完成, 工人读图由于有轴测图而变得