毕业设计开题报告贾少东修改稿.docx

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毕业设计开题报告贾少东修改稿

机械工程学院

毕业设计（论文）开题报告

毕业设计（论文）题目：

基于UG的MG150/360-WD采煤机截割部摇

臂参数化设计

学生：

　贾少东

指导教师：

丁华

专业班级：

机械设计制造及其自动化专业

2013年4月12日

1.课题名称；

基于UG的MG150/360-WD采煤机截割部摇臂参数化设计

2.课题研究背景：

2.1国内外采煤机的发展

上世纪四十年代初，英国和原苏联相继研制出了链式采煤机。

这种采煤机是用截链来落煤，在截链上安装有被称为截齿的专用截煤刀具，这种采煤机工作效率低。

而德国则同时研究出了用刨削方式落煤的刨煤机。

五十年代初，英国和德国相继研制出了滚筒采煤机。

这种采煤机上安装有截煤滚筒，这是一种圆形部件，其上装有截齿，用截煤滚筒实现装煤和落煤。

这种采煤机与可弯曲输送机配套，确定了煤炭开采机械化的基础。

电牵引采煤机技术始于20世纪70年代。

20世纪70年代中期，德国Eichoff公司和美国JOY公司相继研制出直流电牵引采煤机[1]。

此后，世界上各主要采煤机制造公司均对电牵引采煤机进行了研究开发。

至20世纪80年代后期，涌现出大量的直流电牵引采煤机，并开始出现交流电牵引采煤机。

到20世纪90年代，随着科学技术的飞速发展，已开发出集电子、微电子、信息及计算机控制于一体的新型电牵引采煤机。

电牵引采煤机因其性能优良、可靠性高、自动化程度高、操作方便、监控保护与检测功能完善而在国际上迅速推广应用。

德国Eichoff公司自1976年研制成功直流电牵引采煤机后，基本停止了液压牵引采煤机的开发研究，陆续开发了多种形式电牵引采煤机。

90年代开发的ＳＬ系列横向布置交流电牵引采煤机，将截割部电机布置在摇臂上。

其中ＳＬ型点牵引采煤机装机功率达1580kW，最大牵引力998kN。

SL300型电牵引采煤机总装机功率1080kW，采用双变频一拖一系统，最大牵引速度达54.5m/min，控制系统具有交互式人机对话、设备健康预报、在线控制、数据传输等功能。

英国薄煤层采煤机正在使用的有AB16型、AS-巴托克、AS270型、AM420型和B16型5种。

英国Long－Airdox公司自1984年研制成功第一台将截割部电机布置在摇臂上的多电机横向布置的Electra550型直流电牵引采煤机后，在其基础上加大功率，又研制成Electra1000型直流电牵引采煤机。

90年代，在Electra系列机型基础上，加大功率，改进控制系统，开发了EL系列交流电牵引采煤机，主要机型有EL６００、EL１０００、EL１５００、EL３０００型。

在EL系列机型上装置的Ｉｍｐａｃｔ集成保护及监控系统，具有负荷控制、机器监控、采煤机自动定位、自动调高、区域控制、智能化安全连锁、随机故障诊断、数据传输等功能。

美国的JOY公司在20世纪70年代研制成功1LS多电机横向布置直流电牵引采煤机后，又陆续研制了2LS~7LS等型多电机横向布置直流电牵引采煤机。

7LS采煤机总功率1940kW，牵引速度30m/min。

采用JOYUltratrace2000型强力销轨无链牵引系统，加大链轨节距和宽度，并采用锻造销排；装备了与6LS5型通用的JNA机载计算机信息中心，具有人机通讯界面、故障诊断图形显示和储存、无线电遥控、牵引控制盒保护等功能[2]。

日本MCLE200DR7575型薄煤层采煤机是一种正面滚筒式爬底板双滚筒采煤机,采用无链牵引,结构形式与AM-420型相似,配支撑掩护式支架组成的SD综采设备,适用于煤层厚度0.8-1.2m。

1984年该综采设备在北海道太平洋矿,工作面长130m,煤厚1.2-1.3m,工作面月进558.4m,平均日产煤868t,工班效率20t。

同年7-11月在南益矿共采煤180707t,平均日产煤1689t[3]。

我国于1952年购进并使用第一台由原苏联生产的采煤机，与此同时，鸡西煤矿机械厂即开始进行仿制工作，于1954年制造出我国第1台深截式采煤机，即顿巴斯-1型采煤康拜因，随后批量生产。

在顿巴斯-1型采煤康拜因的基础上，经过研究、改进和完善，设计制造了多种型式的采煤康拜因，这一时期的采煤机称为中国第1代采煤机。

我国于20世纪80年代后期开始研制交流电牵引采煤机，20世纪90年代初研制成功样机。

经过十多年攻关，研发的电牵引采煤机在国内得到广泛的应用，取得了明显的经济与社会效益。

目前所采用的采煤机械多为滚筒式采煤机和刨煤机。

滚筒式采煤机能极好地适应各种煤层赋存条件。

煤层厚度不同，煤层倾角不同，煤层的物理机械性质也各异。

对滚筒式采煤机的使用经验表明，只要能根据煤层赋存条件，并按用户要求设计滚筒式采煤机，既按“量体裁衣”原则来设计采煤机，则这样的采煤机一定能在煤炭开采中满足要求。

经过很多年的发展。

我国已经能自行设计和生产适合于各种煤层赋存条件的螺旋滚筒式采煤机。

全国已经涌现出几十座全自动化矿井，煤炭的自动化程度达到100%。

近几年，煤炭系统科研部门和采煤制造场正在研制带有故障诊断和工矿自动检测技术的自动化采煤机，可望不久的将来，我国采煤技术水平一定能赶上和超过世界水平。

我国原煤产量必须达到十四亿吨，才能满足我国工农业生产发展的需求。

为此，必须加大煤炭生产机械化力度，大幅度提高煤炭生产率。

这就要求我们不断开发出技术先进，高效并可靠的新型采煤机，不仅满足国内生产之需，为人类煤炭生产做贡献。

2.2采煤机截割部特点

采煤机的截割部对整台机器的工作能力和外廓尺寸有着极大的影响，因此要求截割部，结实可靠，结构紧凑，密封性能好，这是由于井下空间所限制和特殊的工作条件所要求的。

截割部，箱体结构简单，易铸造，，对装煤效果和工作稳定性都不利。

侧面摇臂的支承呈悬臂结构，支承间距一臂不影响大块煤的通过和滚筒的卧底，有利于扩大采煤机的工作行程。

当采高较大时，采落的块度较大，因而需要在截割部端头设破碎器时，只能用侧面摇。

该摇臂安装于采煤机的两端，分别由两台交流电机驱动与主机架铰链，摇臂有左，右之分，但除提升托架及电机护罩外，期于零件可以呼唤使用，截割电机横向布置在摇臂的尾部，它通过摇臂传动系统减速后将动力传递给截割滚筒，驱动截割滚筒旋转。

摇臂的升降由调高油缸的行程来控制[4]。

采煤机发展特点：

早期，装机功率小、有链牵引，输出牵引力小、牵引速度低、自开切口差、工作可靠性较差等。

随着我国综合国力的不短提高，在煤矿事业领域的不断发展。

我国采煤机具有了以下特点：

增大功率和能力、电牵引采煤机已成为主导机型、增大牵引速度和牵引力，并改进无链牵引机构、机器的结构布置有新的发展、截割滚筒的革新和改进、扩大采煤机的使用范围，不断开发难采煤层的机型、提高采区工作电压、采用微电子技术，实现机电液一体化的采集，工况监测，故障诊断和自动控制、贯彻标准化，系列化和通用化原则，加速开发适合不同地质条件的新机型、提高采煤机的可靠性和寿命，提高易维修性，缩短井下更换部件时间，延长大修周期，提高机器的使用率和开机率。

2.3参数化设计方法

采用三维CAD造型系统是实现产品三维设计的有效途径,提高三维模型设计效率的最好方法之一是参数化设计[5]。

目前，参数化技术大致可以分为直接式和非直接式两种。

非直接式参数化技术有：

编程法和基于三维参数化的形体投影法。

直接式参数化技术则是指设汁者通过用户界面直接对图形进行操作，而不必理会计算机内部的处理方式，这是当前使用最为广泛的一种方法，也称人机交互法。

参数化系统可以从一套几何数据尺寸，生成不同的零件、视图或尺寸，一个参数化程序可以画一个零件的许多不同尺寸，不同形状的图[6]。

目前在autoCAD的二次开发中，常使用定义块来建立自己的零件库，每次插入块时可指定不同的位置、比例因子和旋转角，通过多次使用同一个块，生成高效图形，这是简单的参数化。

但是在插人块时，只能改变整个块的比例，而不能同时或单独不成比例地改变不同的参数[7]。

在参数化设计系统中，设计人员根据工程关系和几何关系来指定设计要求。

要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分为两类：

其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何信息，称为不变参数。

参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动维护所有的不变参数。

因此，参数化模型中建立的各种约束关系，正是体现了设计人员的设计意图。

参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。

目前，参数化设计中的参数化建模方法主要有变量几何法和基于结构生成历程的方法，前者主要用于平面模型的建立，而后者更适合于三维实体或曲面模型。

3.课题研究意义：

（1）采煤机是综合机械化采煤的主要设备之一，着重对采煤机的摇臂进行研究与分析，防止摇臂这种关键部件轻易损坏，可以提高采煤机的可靠性，保障工人的人身安全，保证企业的经济效益。

（2）基于UG环境的参数化设计方法，可根据不同需求采用不同的方法是UG参数化设计，可以大大缩短建模时间，提高设计效率。

另外UG的二次开发，可以在企业引入CAD/CAM/CAE软件以后，在一定程度上提高了产品设计、制造以及管理的效率。

UG的二次开发主要适用于标准化、系列化和通用化程度比较高的定型产品，可以大大提高批量生产效率，缩短生产时间。

（3）参数化设计可以大大提高模型的生成和修改的速度，在产品的系列设计、相似设计及专用CAD系统开发方面都具有较大的应用价值。

避免重复工作，只需下该参数即可，简单，方便。

4.文献查阅概况

K.MACKIE,和T.ENG.FIMEMME介绍到，过去50年已经看到了，欧洲大多数国家在使用长壁开采技术从事煤炭深部开采，这在很大程度上适应工作面的基本要素，即顶板支护，刮板输送机，采煤机，并提供高动力，使得成熟可靠的设备能够有高输出的性能。

本文详细讨论了一些采煤机的发展、设计以及适用范围。

机器的设计得到了进一步加强，无链牵引系统，高压电机，监测和控制系统，远程操作的综采工作面及将是一个现实[8]。

河南理工大学的ZhaiXin-xian、ShaoQiang和LiBao-fu等介绍了在世界上的薄煤层采煤机的研究现状。

基于中国义马集团，caoyao煤矿，地质条件不稳定，软薄煤层有坚硬的顶板的环境，并结合在采煤工作面矿压显现的窗体底端相关参数，本文的结论是，根据中国在缓倾斜工作面岩层稳定性分类标准，在薄煤层采煤工作面岩层控制是相对比较容易。

2400kn额定有效电阻保护的两个支柱的液压支架可用于薄煤层采煤工作面。

采煤机协调设备的基本要求在开采薄煤层时被归纳。

根据中国在类似地质条件下的薄煤层开采的成功经验，在薄煤层的0.8-1.4m和1.1-1.9m厚度，分别对采煤机协调设备的可行性方案进行了优化协调设备。

结论将为caoyao煤矿进行矿井综采工作提供参考价值，提高安全生产能力，延长矿山寿命[9]。

中国矿业大学的王启广介绍了国内外电牵引采煤机的发展概况、电牵引采煤机的技术特点和发展趋势和国内电牵引采煤机研究内容[10]。

冀中能源股份有限公司设备租赁分公司的张武东、冯振忠和张建荣介绍到，回顾了薄煤层电牵引采煤机的发展历程，介绍了国内薄煤采煤机的发展现状及冀中能源股份公司的使用配套情况，浅析了冀中能源股份有限公司薄煤采煤机的发展方向。

太原矿山机器集团有限公司的谢贵君在电牵引采煤机的现状与发展趋势中介绍到，对国内外电牵引采煤机的发展历程和技术现状作了简要介绍,对国内外电牵引采煤机的技术特点、发展趋势以及国内电牵引技术的差距进行了分析和讨论,并指出了国内电牵引采煤机的主要研究方向[11]。

新疆田野集团有限公司化工研究院的慕龙在介绍到可以通过软件UGNX7.0建立实验平台摇臂机构的三维模型，并利用UGNX7.0的高级仿真模块对其进行结构受力分析，得到了摇臂的应力、应变、位移分布图，并在此基础上利用软件进行结构优化分析，为设计提供参数和依据[12]。

太原理工大学机械工程学院的王义亮和苟岩岩介绍到应用UG软件建立了某新型大功率采煤机截割部及其调高机构的三维实体装配模型，并对其运动学特征进行了分析。

分析结果表明，所研究的采煤机截割部各构件之间没有干涉发生、各机构运动平稳，截割部传动系统具有良好的运动学特性，验证了该采煤机截割部设计的合理性。

分析结果可以知道修改零件的结构设计，为下一步运动学仿真分析奠定基础[13]。

辽宁工程技术大学机械工程学院的李晓豁和杨丽华介绍到通过PRO/E正建立截割滚筒运动机构的整体模型,利用PRO/E和ADAMS的联合接口Mechanism，将模型转入ADAMS中。

并添加约束、运动、和动力,模拟连续采煤机截割滚筒的运动情况,获得截割滚筒的运动轨迹、速度和加速度,分析摇臂摆速、滚筒转速等对机构的影响,为合理选择截割滚筒的工作参数和提高工作机构的性能奠定基础[14]。

西安科技大学的周娟利介绍到，采煤机是综采工作面的主要设备之一,高产高效综采技术的迅速发展,迫切要求采煤机具有较高的可靠性和良好的动态特性,因此,探索相关的理论体系和研究方法,研究采煤机的动态特性十分必要。

虚拟样机技术是当前设计制造领域的一项新技术,提供了一个研究采煤机动态特性的有效途径,本论文将虚拟样机技术引入到采煤机设计中,通过运动学、动力学仿真分析,为采煤机截割部的设计提供了可靠依据。

本论文在分析采煤机工作过程的基础上,建立了采煤机动力学模型和相应的数学模型,确定了其基本设计参数和总体参数;在SolidWorks软件中建立了采煤机各零部件的三维实体模型,进行了虚拟装配,建立了完整的采煤机数字化样机;通过对该数字化样机的三维可视化干涉检查和运动虚拟控制,直观验证了所建模型的正确性;将所建虚拟样机导入到动力学分析软件COSMOSMotion中,通过施加不同载荷,以多刚体动力学理论为基础,进行了运动学、动力学分析,得到截割部的运动学、动力学特性曲线,揭示了采煤机截割部作业性能及其动力学特性变化规律[15]。

太原理工大学的杨涛介绍到，采煤机是综采工作面的主要设备,其性能的优劣直接关系到煤炭生产能否安全、高效地进行。

长期以来,采煤机的设计方法主要以传统的静态设计为主,而采煤机在实际工作状态下长期承受复杂多变的动载荷的作用,采煤机的机械传动件、机械结构件、液压件、电器元件等,都经常因采煤机动载荷的作用出现故障,这些问题都是对采煤机的动态特性研究不够造成的。

截割部是采煤机的关键部分,在采煤作业中截割部直接与煤壁相互作用,煤壁条件的变化直接反映到截割部上。

因此对采煤机截割部的动力学问题的研究不仅有助于改善截割部自身的动力学性能,而且也是研究采煤机其它部分的动力学行为的基础。

本课题以某新型大采高电牵引采煤机截割部为研究对象。

运用三维建模软件UG建立了采煤机截割部各零件的三维实体模型及截割部三维装配模型,然后导入机械系统动力仿真软件ADAMS中,建立了采煤机截割部的虚拟样机模型,对截割部进行运动学和系统动力学的仿真分析。

在此基础上使用系统动力学分析得到的结果为依据,在有限元分析软件ANSYSworkbench环境中对截割部的关键零件进行有限元的分析[16]。

黑龙江科技学院机械工程学院的吴卫东在基于ANSYS的采煤机摇臂的有限元分析中，介绍到由于采煤机工作条件恶劣，所以要求采煤机截割部摇臂壳体有足够的强度和刚度。

利用三维软件Pro/E建立了采煤机截割部摇臂壳体的实体模型，导入有限元分析软件ANSYS后对其结构进行应力分析，获得了采煤机截割部摇臂的应力和变形状态，为采煤机截割部的进一步改进提供了依据[17]。

辽宁工程技术大学机械工程学院的李晓豁和黑龙江科技学院机械工程学院的杨丽华在基于PRO/E的连续采煤机滚筒的参数化设计中，介绍到依据连续采煤机截割滚筒整体结构和装配关系，利用Pro/Engineer强大的参数化造型技术及其提供的二次开发模块PRo/Tookit建立了连续采煤机截割滚筒参数化设计系统。

该设计科避免设计过程中不必要的重复性工作，提高了设计的质量、水平以及工作效率，为深入开展连续采煤机截割滚筒的仿真研究奠定了基础[18]。

华东石油大学的龙连春和介绍到建立了中小功率内燃机常用摇臂参数化设计模型。

采用可变参数构成摇臂结构，并作结构的有限元网格，此后再进行有限元分析，计算出摇臂的质量、刚度、转动惯量和应力。

使摇臂的设计归结为几个主要蚕食的优选。

实例分析表明，计算值和实测值基本相符，优选出的摇臂设计优于原设计[19]。

JonathonC.Ralston和AndrewD.Strange的为利用热红外建立焊缝跟踪的长壁采煤发展选择性开采能力中，介绍到长壁开采继续保持煤炭地下开采最有效的方法，实现安全和多产的长壁开采的一个重要方面是保证采煤机总是正确地定位在煤层中。

目前，该机的定位任务的工作人员必须同时监测综采工作面和采煤机滚筒的位置来推断的煤层地质趋势的作用。

这是一个对煤炭生产的稠度和质量有负面影响的劳动密集的任务[20]。

M.P.Evenden和J.S.Edwards介绍到，采煤机设计切削理论和煤层评估技术及其应用对于滚齿刨煤机，连续采煤机的采煤功率加载器的基本模式是用镐切割。

这些机器可能仍然会被顺利进入二十一世纪，重要的是，他们应该尽可能高效。

首先介绍了一些基本的采煤理论及其应用电源装载机设计。

然而，电源装载机的性能，依赖煤炭的物理和机械性能和机器的运行特性差不多。

一些用于煤层评估测试的方法因此也被描述出来了。

实验室和现场测试都被审查过了，它们的适应性对机器设计的帮助也被讨论过了。

本文强调了缝测试的重要性，并以诺丁汉大学采矿工程部门目前正在发展中的缝测试作为结论[21]。

XuZhi-peng和WangZhong-bin的采煤机自适应记忆切割的建模和仿真中，介绍到采煤机的自动化是实现综采工作面的关键，根据我国复杂的地质条件，本文建立了一个基于模糊控制理论的采煤机自适应记忆切割模型，这个模型包含采煤机定位系统和模糊控制系统，模糊控制可以在任何时候获得采煤机的位置和姿态信息，自动跟踪记忆切割路线,基于模糊理论判断采煤机是否切到岩石，并找到最优方案。

作者在实验室和工厂模拟工作环境，做实验来测试该模型是否能够适应煤矿复杂的地质条件。

仿真结果表明，该模型可以实现采煤机记忆切割并识别异常状态，然后自适应的调整牵引速度和滚筒高度，可满足复杂地质条件下的控制要求[22]。

Gao,Hong-Bin;Sun,Nan;Zhang,Ru-Qi;Ma,Yu;Jia,Zhi-Bin介绍到为了预防和监测采煤机的电机及减速系统截割部的故障，本研究分析了轴扭转振动的传递，提供EDW-150-2L系列电牵引采煤机的电机及减速系统集中质量的力学模型。

以有简谐振动的切削阻力为例，理论的推导出轴的输出端的扭转振动方程并分析了其振型[23]。

太原理工大学机械工程学院的丁华为实现采煤机截割部的智能设计，应用知识工程原理设计了采煤机截割部现代设计方案。

研究了基于ε一致性准则粗糙集扩展模型的采煤机总体技术参数知识获取方法，为截割部设计奠定了推理基础。

提出以面向对象表示方法为主、产生式规则和过程式表示方法为辅的混合知识表达模型，实现了采煤机截割部设计对象及其设计知识的集成。

针对采煤机截割部设计过程，将实例推理、模型推理和规则推理3种知识推理技术结合，构建了符合设计思维的融合知识推理模型。

在UG平台下开发了采煤机截割部现代设计系统，通过实例验证和企业应用证明该方法可行、有效[24]。

太原理工大学机械工程学院的廉自生和华北水利水电学院的刘楷安介绍了含柔性体虚拟样机运动方程的推导过程，采用专业建模软件UG建立了采煤机截割部的三维几何模型，利用ADAMS软件建立了采煤机摇臂的虚拟样机模型，并对采煤机摇臂进行了动力学分析。

仿真结果表明，柔性化摇臂铰接点的阶跃响应最大超调量为83%，比将摇臂作为刚性体进行受力分析更接近实际工况[25]。

随着采煤事业的不断发展，国内外众多学者对矿山机械的各方面进行了研究，包括采用CAD、CAE软件对采煤机关键部件进行建模、分析等，利用UG软件对矿山机械设备进行建模、分析等研究。

但是采煤机截割部的参数化设计研究相对较少，基于UG的采煤机截割部摇臂参数化的研究未见文献，所以本文以基于UG的MG150/360-WD采煤机截割部摇臂参数化设计作为研究内容。

参考文献

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