采煤機(jī)模型（搖臂部分）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及用于煤巖界面識別的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含3張CAD圖紙】
采煤機(jī)模型（搖臂部分）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及用于煤巖界面識別的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含3張CAD圖紙】,含3張CAD圖紙,采煤,模型,搖臂,部分,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),用于,界面,識別,測試,系統(tǒng),設(shè)計(jì),CAD,圖紙
現(xiàn)代科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：
采煤機(jī)模型(搖臂部分)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及用于煤巖界面識別的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué) 生 姓 名：
指導(dǎo)教師姓名：
專 業(yè)：
年 4 月 5 日
1.課題名稱：
采煤機(jī)模型(搖臂部分)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及用于煤巖界面識別的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.課題研究背景：
采煤機(jī)的自動(dòng)化主要包括兩部分：牽引速度和滾筒切割高度的自動(dòng)控制。目前國內(nèi)外絕大多數(shù)采煤機(jī)牽引速度都實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)和自動(dòng)控制，而采煤機(jī)滾筒高度的控制，除國外極少數(shù)的采煤機(jī)采用存儲切割模式進(jìn)行高度控制外，大部分是靠人工操作，即操作工人靠視力觀察及截割噪音來判斷采煤機(jī)滾筒是在割煤還是割巖，以便調(diào)節(jié)滾筒的垂直位置。然而由于采煤機(jī)在工作過程中產(chǎn)生大量煤塵，使工作面能見度很低，而且機(jī)器本身噪音很大，操作工人實(shí)際上難以準(zhǔn)確及時(shí)判斷采煤機(jī)的截割狀態(tài)。如果是在薄煤層工作面，工人行走不便，使操作人員難以及時(shí)調(diào)節(jié)滾筒的高度。因此采煤機(jī)在工作過程中經(jīng)常會(huì)截割到頂?shù)装鍘r石。采煤機(jī)連續(xù)截割巖石會(huì)加劇滾筒截齒磨損及其它零部件的損壞；對于高瓦斯礦極易引起瓦斯爆炸，形成惡性事故；截割的巖石混入原煤中造成原煤質(zhì)量下降；另外，滾筒位置調(diào)節(jié)不當(dāng)還可能造成頂?shù)酌菏Ａ暨^厚，降低回采率。解決這一問題的途徑是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒的自動(dòng)調(diào)高。實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高不僅是實(shí)現(xiàn)采煤工作面生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié),而且對延長機(jī)器壽命、提高設(shè)備可靠性、保障工人安全、提高煤炭質(zhì)量具有重要意義,對采煤機(jī)械的智能化控制及煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有很大的促進(jìn)作用。
采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高系統(tǒng)的功能就是按照頂板和底板的變化或按照人們設(shè)定的規(guī)律自動(dòng)調(diào)節(jié)滾筒的工作高度，避免采煤機(jī)截割頂?shù)装鍘r石并保持工作面頂?shù)装宓钠秸?。根?jù)采煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)所要求的功能，調(diào)高系統(tǒng)首先要能正確地識別采煤機(jī)的截割狀態(tài)，然后根據(jù)識別的結(jié)果能準(zhǔn)確及時(shí)地調(diào)整采煤機(jī)的滾筒高度。
煤巖界面識別的主要方法
煤巖界面識別主要分為兩種: 煤厚測量型和煤巖界面測量型。
1放射性探測技術(shù)
1.γ背散射法：將人工放射源和放射性探測器放在頂煤下方。人工放射源放出的γ射線同頂煤發(fā)生作用后被反射回空氣中并被探測器探測到。這種反射γ射線的強(qiáng)度與頂煤后有關(guān)。
缺點(diǎn)：背散γ射線穿透能力有限，所能測得的頂煤厚度不大于250mm;難于保證與頂煤良好接觸；煤中夾雜物影響探測精度。
2.天然γ射線法：在頂板巖中通常含有鉀，釷，鈾三大系放射性元素的含量也不同，因此放射出的γ射線能量和強(qiáng)度都不同。
優(yōu)點(diǎn)：無放射源因而便于管理;探測范圍增大，最大頂煤厚度可測到50mm；傳感器為非接觸式不易損壞。
缺點(diǎn)：不能適用于頂板不含放射性元素或放射性元素較低的工作面，以及煤層中夾雜太多的情況。
2.振動(dòng)測試技術(shù)
1.拾振點(diǎn)位于采煤機(jī)部件上：檢測采煤機(jī)截齒，搖臂，調(diào)高油缸壓力，轉(zhuǎn)軸及機(jī)身的振動(dòng)信號，經(jīng)信號分析處理來判斷采煤機(jī)是否切割刀頂板。
缺點(diǎn)：工作中截齒經(jīng)常切入巖石，因此對于某些采煤工藝要求預(yù)留頂煤或高瓦斯工作面，推廣受到了限制。另外截齒的損耗也較大些。
2.拾振點(diǎn)位于頂板上：拾振的加速度計(jì)安裝在頂板表面，采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波通過巖石傳播被加速度計(jì)檢測到，通過對振動(dòng)信號的處理就可判斷滾筒截齒是否切割到巖石。
優(yōu)點(diǎn)：可使儀器遠(yuǎn)離采煤機(jī)，減少采煤機(jī)噪聲的影響。研究表明在滾筒附近的頂板上安置拾振器，其信號檢測效果明顯比采煤機(jī)身上所測得的效果好。
3.電磁測試技術(shù)
1.雷達(dá)探測方法：當(dāng)一束電磁波透過頂煤向上發(fā)射時(shí)，由于煤和頂板材料不同 ，在煤巖界面上電磁波會(huì)被反射。反射波的速度，相應(yīng)滯后或從發(fā)射波到反射波被接受的時(shí)間間隙除與發(fā)射波頻率，煤和頂板材料等可測知的因素有關(guān)外，還與電磁波在頂煤中穿越路程即頂煤厚度有關(guān)。通過對接收到的反射波進(jìn)行信號處理可確定頂煤厚。
優(yōu)點(diǎn)：無需預(yù)先求取煤巖物理特性，十余、適用范圍更廣。
缺點(diǎn)：探測范圍太小，當(dāng)頂煤厚度增加時(shí)，信號衰減嚴(yán)重。
2.電子自旋共振方法：發(fā)射天線發(fā)射一恒定功率連續(xù)調(diào)頻電磁波，當(dāng)頻率f=2uH時(shí)發(fā)生共振。頂煤越厚，電磁波穿越路徑越長，吸收越多，功率下降幅值越大。根據(jù)共振頻率處的功率下降幅值就可測定頂煤厚度。
4.光學(xué)探測技術(shù)
1.激光粉塵探測技術(shù)：用收集裝置將切割滾筒附近的破碎物料的粉塵顆粒吸到專用的防火花隔爆室內(nèi)，用激光照射查明粉塵成分。通過粉塵中煤與巖石成分含量之比來推斷是否切割到頂巖。
缺點(diǎn)：不能推斷頂煤厚度，僅能識別截齒是否切入頂巖。
2.高壓水射流---光測法：用兩相距50mm的高壓噴嘴繞其對稱旋轉(zhuǎn)并噴射高壓水，在頂煤上會(huì)打出一個(gè)D50mm的孔，而在頂板上只會(huì)打出一圓形狹縫，孔的底平面就是頂煤厚。
5.熱敏探測技術(shù)
用高靈敏度的紅外測溫儀定向測量切割截齒附近煤巖體的溫度，由于煤巖物理特性不同，切割時(shí)產(chǎn)生的溫度不同，據(jù)此來判斷滾筒是否切割到煤巖界面。
優(yōu)點(diǎn)：紅外輻射對粉塵的穿透力強(qiáng)，高靈敏的紅外測溫儀可測出正負(fù)1℃的溫度變化，應(yīng)用前景。
目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
近年來國內(nèi)外在此領(lǐng)域研究所采取的手段主要是: 基于煤巖自然伽瑪射線輻射特性的 NGR( Natural Gamma Radiate ion)傳感器法。此法對于高瓦斯礦特別適合, 但是該方法對采煤工藝有一定要求,即必須是留一定厚度的頂煤, 這樣降低了采出率;另外要求頂?shù)装鍑鷰r必須有放射性元素。例如對于頁巖( Shale)頂板有較好的適應(yīng)性, 而對于砂巖( Sandstone)頂板則適應(yīng)性極差。這種方法在英國有50 %的礦井可以使用, 在美國有 90 %的礦井可以使用, 而在我國僅有20 %左右的礦井可以應(yīng)用。因而這種方法的推廣使用受到了限制; 基于采煤機(jī)切割力響應(yīng)的煤巖界面識別傳感器法。此法是用傳感器拾取搖臂振動(dòng)信號、滾筒軸扭矩信號及調(diào)高油缸壓力信號進(jìn)行識別。由于在采煤過程中滾筒在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因而信號的傳輸受到很大的影響, 到目前為止尚未見到成熟的方法及產(chǎn)品問世; 煤層界面紅外線探測裝置。它是用熱成像紅外攝像機(jī)探測開采煤層和臨近巖層的溫度變化。當(dāng)裝置的視頻探測裝置發(fā)現(xiàn)煤層或巖層的溫度出現(xiàn)變化后,即發(fā)出報(bào)警信號。目前國內(nèi)尚無涉足, 國外有致力于此方面的研究,但仍無成熟方法及產(chǎn)品問世.
3.課題研究意義：
煤巖界面識別 (CII)能使采煤機(jī)具有自動(dòng)追蹤煤巖界面的能力 ,不僅有助于引導(dǎo)煤礦井下采煤自動(dòng)化 ,提高生產(chǎn)效益 ;還能減少那些在選煤過程中必須除去的巖石和其它礦物含量。它既可用于人工操作的采煤機(jī) ,也可用于計(jì)算機(jī)控制的采煤機(jī)?？煽康腃II系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)效益和安全作業(yè)兩方面都具有突出的優(yōu)點(diǎn) ,它提高煤層的采出率 ;降低煤中的矸石、灰分和硫的含量 ;提高采煤作業(yè)效率 ;減輕設(shè)備磨損 ;減少設(shè)備維修量和停機(jī)時(shí)間 ;由于振動(dòng)較小 ,降低了空氣中的巖塵含量 ,并可使作業(yè)人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)工作面。為了實(shí)現(xiàn)煤礦井下復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境下的人員、物資、設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施等的實(shí)時(shí)有效的監(jiān)控和管理，綜合利用傳感器技術(shù)、射頻技術(shù)、智能嵌入技術(shù)等，結(jié)合工業(yè)以太網(wǎng)、無線傳感器網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)，把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)拓展到煤礦井下。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于IE瀏覽的煤礦綜合自動(dòng)化軟件平臺，從而解決煤礦安全生產(chǎn)綜采工作面的協(xié)同管理問題、井下重大災(zāi)害預(yù)警問題、礦井災(zāi)害有效救援等亟待解決的問題。采掘工作面是煤礦事故多發(fā)地點(diǎn)。減少煤礦采掘工作面作業(yè)人員既是煤礦安全生產(chǎn)的需要，又是減輕作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度和改善作業(yè)環(huán)境的需要。煤巖界面識別是實(shí)現(xiàn)無人采煤的關(guān)鍵技術(shù)之一。提出了基于可見光圖像和紅外圖像識別的煤巖界面識別方法：提取色彩、灰度、紋理、形狀等圖像特征，進(jìn)行煤巖界面識別。并提出了基于圖像識別的多參數(shù)信息融合煤巖界面識別方法提出了基于可見光圖像和紅外圖像識別的煤巖界面識別方法：提取色彩、灰度、紋理、形狀等圖像特征，進(jìn)行煤巖界面識別。
通過對任務(wù)書的分析，培養(yǎng)了自己進(jìn)行綜合分析和提高解決實(shí)際問題的能力，從而達(dá)到鞏固、擴(kuò)大、深化所學(xué)知識的目的。對與有關(guān)的資料的查看培養(yǎng)了自己調(diào)查研究，熟悉有關(guān)技術(shù)政策，運(yùn)用國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊等工具書，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、編寫技術(shù)文件的獨(dú)立工作能力。模型比例的設(shè)計(jì)使自己建立正確的設(shè)計(jì)思想；初步掌握解決本專業(yè)工程技術(shù)問題的方法和手段；從而使自己受到一次工程師的基本訓(xùn)練。
4.文獻(xiàn)查閱概況
（1）國內(nèi)外煤巖界面識別技術(shù)研究動(dòng)態(tài)綜述，任芳（太原理工大學(xué)）
摘要：煤巖界面識別 (CII)能使采煤機(jī)具有自動(dòng)追蹤煤巖界面的能力 ,不僅有助于引導(dǎo)煤礦井下采煤自動(dòng)化 ,提高生產(chǎn)效益 ;還能減少那些在選煤過程中必須除去的巖石和其它礦物含量。它既可用于人工操作的采煤機(jī) ,也可用于計(jì)算機(jī)控制的采煤機(jī)?？煽康腃II系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)效益和安全作業(yè)兩方面都具有突出的優(yōu)點(diǎn) ,它提高煤層的采出率 ;降低煤中的矸石、灰分和硫的含量 ;提高采煤作業(yè)效率 ;減輕設(shè)備磨損 ;減少設(shè)備維修量和停機(jī)時(shí)間 ;由于振動(dòng)較小 ,降低了空氣中的巖塵含量 ,并可使作業(yè)人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)工作面
（2）基于切割力響應(yīng)的煤巖界面識別技術(shù)研究，廉自生（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）
摘要：簡述了采煤機(jī)切割狀態(tài)識別及滾筒自動(dòng)調(diào)高的意義；分析了煤巖界面識別的技術(shù)關(guān)鍵；指出了煤巖界面識別的信號選擇途徑、特征提取及分類器設(shè)計(jì)的方法。
（3）煤巖界面識別物理模擬測試系統(tǒng)研究，任芳（太原理工大學(xué)）
摘要：采煤機(jī)滾筒在截割煤巖的過程中,隨著截割介質(zhì)的變化,滾筒的截割狀態(tài)也發(fā)生變化,監(jiān)測這些參數(shù)變化,可實(shí)現(xiàn)截割過程煤巖界面識別。建立了采煤機(jī)煤巖界面識別物理模擬系統(tǒng),包括介質(zhì)模擬和采煤機(jī)牽引-截割機(jī)構(gòu)的模擬,研制了試驗(yàn)控制系統(tǒng)。
（4）煤巖界面識別的關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，任芳（太原理工大學(xué)）
摘要：闡述了通過截割狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行煤巖界面識別的原理。理論分析表明,拾取振動(dòng)、電流、扭矩、壓力及扭振等截割狀態(tài)信號,經(jīng)過特征提取與信息融合可進(jìn)行煤巖界面辨識。
（5）扭振測量在煤巖界面識別中的應(yīng)用研究，任芳（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 ）
摘要：為了更有效地進(jìn)行煤巖界面識別,利用扭振信號來進(jìn)行煤巖界面識別研究。首先從理論上分析了扭振信號與滾筒截割力的關(guān)系;應(yīng)用小波包和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行信息特征提取和數(shù)據(jù)融合,論證了扭振信號的有效性與可靠性,并與直線振動(dòng)信號進(jìn)行了對比。識別結(jié)果表明,扭振信號數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定,識別正確率達(dá)到92%;而直線振動(dòng)信號的正確識別率為63%,理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證是一致的。通過滾筒軸扭振信號來監(jiān)測采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是一有效手段。
（6）基于多傳感器信息融合的煤巖界面識別，陳惠英（太原理工大學(xué)電器與動(dòng)力工程學(xué)院）
摘要：煤巖界面識別是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高的關(guān)鍵之一,本文討論基于多傳感器信息融合的煤巖界面識別方法。
（7）基于支持向量機(jī)的煤巖界面識別方法，劉強(qiáng)（山西煤炭科學(xué)研究總院太原分院）
摘要：在煤巖識別的研究中采用了基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化的支持向量機(jī),介紹了支持向量機(jī)的煤巖界面識別原理,提出一種基于支持向量機(jī)的煤巖界面識別方法。
(8) 煤巖界面的模糊識別，寇子明（山西礦業(yè)學(xué)院）
摘要：提出模糊識別煤巖界面的方法，并研究基于切割負(fù)載力的煤巖界面在線辨識。
(9) 煤巖界面識別傳感技術(shù)，秦劍秋（中國礦業(yè)大學(xué)北京研究生部）
摘要：60年代中期以來,各工業(yè)發(fā)達(dá)國家競相研究開發(fā)能辨識煤層—巖石分界面的煤巖界面識別傳感器。從煤礦井下工作條件及工作對象來看,對煤巖界面識別傳感器有以下要求: 1.分辨率:在典型地質(zhì)條件及正常工作噪聲和振動(dòng)的環(huán)境下,能精確地分辨50～250mm厚的余煤,并要求重復(fù)性好。 2.輸出:要有一定輸出幅值以實(shí)現(xiàn)數(shù)顯或與采煤機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)接。 3.可靠性:能適應(yīng)井下惡劣的工作環(huán)境。 4.可行性:成本低、結(jié)構(gòu)簡單,可在采煤機(jī)上安裝。
(10)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)研究，張俊梅（中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程系）
摘要：在分析比較國內(nèi)外多種煤巖界面識別傳感器的基礎(chǔ)上 ,研究了以自然γ射線煤巖界面識別傳感器為煤巖界面識別元件的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng) .確定了整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)高方案、控制任務(wù) ,完成了控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)、調(diào)試工作 ,并采用計(jì)算機(jī)作為輔助手段對所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的數(shù)字控制器進(jìn)行仿真分析 ,數(shù)據(jù)表明經(jīng)過三個(gè)采樣周期后系統(tǒng)趨于穩(wěn)定 ,驗(yàn)證了整個(gè)控制系統(tǒng)的合理性 .對煤礦井下測報(bào)實(shí)例進(jìn)行煤厚測報(bào)的結(jié)果是 ,最大煤厚誤差為 43mm,表明此系統(tǒng)可靠、實(shí)用
(11) 自組織競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在采煤機(jī)煤巖界面模式識別中的應(yīng)用，蘇秀平（中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院）
摘要：采煤機(jī)煤巖界面識別技術(shù)是實(shí)現(xiàn)采煤工作面自動(dòng)化的關(guān)鍵技術(shù)之一。利用自組織競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對采煤機(jī)煤巖界面模式識別進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明,自組織競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能對輸入向量模式進(jìn)行正確分類,并能很好地解決采煤機(jī)煤巖界面模式識別問題,從而為采煤機(jī)煤巖模式識別器的改進(jìn)提供了技術(shù)參考。
(12) 開灤礦區(qū)薄煤層開采設(shè)備選型配套分析，李建民（開灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司）
摘要：介紹了我國薄煤層開采技術(shù)和裝備發(fā)展情況,結(jié)合開灤集團(tuán)公司荊各莊礦在復(fù)采沉陷區(qū)域薄煤層開采設(shè)備的選型配套和選擇方法,提出了薄煤層工作面設(shè)備選型配套原則,應(yīng)本著向大功率、高強(qiáng)度、高能力、高可靠性、自動(dòng)化方向發(fā)展,以適應(yīng)薄煤層安全高效要求。
(13) Studies of the relationship between coal petrology and grinding properties ,Alan S.Trimble and James Chowder (Center for Applied Energy Research, University of Kentucky, 2540 Research Park Drive, Lexington, KY 40511-8433, USA)
Abstract: The cameral and microlithotype composition of selected coals has been investigated with respect to the grinding properties, specifically Hardgrave grind ability index (HGI), of the coals. The study expands upon previous investigations of HGI and coal petrology by adding the dimension of the amount and composition of the microlithotypes. Coal samples, both litho types and whole channels, were selected from restricted rank ranges based on vitrifies maximum reflectance: 0.75–0.80% Ram, 0.85–0.90% Ram and 0.95–1.00% Ram. In this manner, the influence of petro graphic composition can be isolated from the influence of rank. Previous investigations of high volatile bituminous coals demonstrated that, while rank is an important factor in coal grind ability, the amount of Latinate and Latinate-rich microlithotypes is a more influential factor. In this study, we provide further quantitative evidence for the influence of microlithotypes on HGI and, ultimately, on pulverize performance.
(14). contact coal transformation under the influence of dolerite dike ,A.N.formin,A.S.Konyshev and O.G.Talibova(aInstitute of Petroleum Geology and Geophysics, Siberian Branch of the RAS, 3 pros’. Akkad. Koptyuga, Novosibirsk, 630090, Russia)
Abstract: The influence of 6.75 m thick dolerite dike on the sheet coal of the Kieran deposit (northwestern Siberian Platform) was studied by organ geochemical methods. It is shown that initial bituminous coal was transformed into anthracite in the immediate vicinity of the dike. Chemical kinetic modeling of the dike-induced cracking of coal organic matter was performed, and the maximum pale temperatures were estimated.
(15). Stability evaluation of extended cut mining in underground coal mines , Eric R. Bauer1, Gregory J. Chekan1 and Lisa J. Steiner1(1National Institute for Occupational Safety and Health, Pittsburgh Research Laboratory, Pittsburgh, PA 15236, USA)
Abstract: The trend in underground room-and-pillar coalmining is to employ remote-control continuous mining machines to take extended cuts of 40 ft or more. Extended cutting can create additional worker safety hazards. To address these hazards, a combination of statistical analysis, underground investigations, and numerical modeling are being conducted. Statistical analysis of extended cut use, roof fall accidents and fatalities delineated the extent of the problem in U.S. coal mines. Underground studies addressed the roof stability consequences of employing extended cutting. The stress profiles, pillar stability, and safety factors of alternative mine layouts that eliminate unsafe continuous miner operator positioning during the remote-control mining of crosscuts were addressed using displacement-discontinuity modeling and programs such as LAMODEL (Laminated Model) and ARMPS (Analysis of Retreat Mining Pillar Stability
5.設(shè)計(jì)（論文）的主要內(nèi)容
1. 根據(jù)相似原理確定模型的各種技術(shù)參數(shù)。
2. 采煤機(jī)模型切割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
3. 設(shè)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
6.設(shè)計(jì)（論文）提交形式
1） 畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告；
2） 采煤機(jī)模型搖臂總裝圖一張（0號）；
3） 部件圖一張（1號）；
4） 零件圖三張（2號一張，3號兩張）；
5） 測試系統(tǒng)圖一張（3號）；
6) 相關(guān)外文資料翻譯（至少5000字）；
7) 設(shè)計(jì)論文說明書1本（至少20000字）。
7. 進(jìn)度安排
第4周至第6周：查找資料做選題報(bào)告。了解采煤機(jī)工作原理，學(xué)習(xí)相似原理，確定模型功率與原型功率的關(guān)系。英文翻譯。
第7周至第8周：模型功率確定---選擇電機(jī)---選擇變頻器---選擇聯(lián)軸器---確定輸入輸出軸并校核---鏈輪的設(shè)計(jì)與校核---軸承的選擇。參考機(jī)械零件。
第9周至第11周：確定檢測參量，選擇各種傳感器。測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。提交說明書目錄。
第12周至第16周：編寫論文及繪圖。
8. 指導(dǎo)教師意見
簽名：
2011年 4月 日
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采煤機(jī)模型（搖臂部分）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及用于煤巖界面識別的測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要
在煤礦井下開采過程中，既需要努力提高煤炭采出率，又必須盡可能避免采煤機(jī)滾筒截齒切割到頂板巖層而損壞設(shè)備甚至引發(fā)事故，因此需要在線識別煤層與巖層的分界面。煤巖界面識別方法、識別系統(tǒng)及識別探頭，通過將能夠穿透煤層而不能穿透巖層的特定能級的高壓水射流向巷道上方的煤層噴射，并實(shí)時(shí)感知被煤層或巖層反射的反射流對噴嘴形成的不同作用力，控制器據(jù)此判斷采煤機(jī)滾筒截齒上端與煤巖界面的距離，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)搖臂自動(dòng)調(diào)高控制，使煤炭開采過程實(shí)現(xiàn)高采出率、低機(jī)械磨損率、自動(dòng)化作業(yè)等目標(biāo)。
在本次設(shè)計(jì)中是以GTY400\900-3.3D電牽引采煤機(jī)為原型設(shè)計(jì)的，運(yùn)用相似原理對采煤機(jī)模型設(shè)備進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出搖臂由鏈輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作，選取合適的電動(dòng)機(jī)，變頻器,聯(lián)軸器，并最終設(shè)計(jì)出輸入輸出軸及校核。設(shè)計(jì)出合適的鏈輪并進(jìn)行校核，以及軸承的選擇。對于煤巖界面識別的測試系統(tǒng)的搭建，要選取出適當(dāng)?shù)臏y量振動(dòng)的、壓力的、扭矩的、扭振的傳感器，以及耦合器和鑒頻器，最終通過動(dòng)態(tài)分析儀來顯示.煤巖界面的識別很重要，對于它的識別有助于采煤機(jī)進(jìn)行采煤。
關(guān)鍵詞：采煤機(jī)搖臂 界面識別 測控系統(tǒng) 相似原理
Design Of Used For The Coal Mining Machine Model (Rocker Part) And Design Test Structure Coal Rock Inter Face Recognition System
Abstract
Coal mine in the mining process, not only need to improve the coal recovery rate, and must be avoided as much as possible Shearers' pick cutting into the roof strata and the damage to equipment and even caused the accident, thus requiring online recognition of coal seam and rock interface. The method of coal rock interface recognition, recognition system and the probe, through will be able to penetrate the seam and cannot penetrate rock specific energy level of the high pressure water jet flow to the roadway above the coal seam injection, and real-time perception was the seam or stratum reflection flow on the nozzle is formed in the different forces, controller to judge Shearers' pick top coal rock interface distance, realizes the shearer ranging arm automatic adjusting control, make the coal mining process to achieve a high recovery ratio, low wear rate, automatic operation objectives.
In this design is based on GTY400\900-3.3D electric haulage shearer as the prototype design, using the similar principle of coal mining machine equipment model selection design, designed by the chain wheel drives the rocker arm rotating work, select the appropriate motor, inverter, couplings, and the final design of the input and output shafts and check. Design suitable sprockets and are checked, and the choice of bearing. For coal rock interface recognition test system set up, to select the appropriate measurement of vibration, pressure, torque, torsion vibration sensor, as well as the coupler and a frequency discriminator, ultimately through dynamic analyzer to display of coal rock interface recognition is very important, for its recognition contributes to the coal mining machine mining.
Key word: Coal winning machine rocker Interface recognition Measurement and control system
目錄
摘要 1
Abstract 2
第一章 緒 論 4
1.1 課題研究背景： 4
1.2 目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 6
1.3課題研究意義： 6
1.4 任務(wù)內(nèi)容： 7
第二章 采煤機(jī)搖臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
2.1相似理論概述 9
2.2 采煤機(jī)搖臂模型功率確定 12
2.4變頻器的選擇 14
2.4.1變頻器調(diào)速簡介 14
2.4.2 變頻器的參數(shù) 15
2.5 聯(lián)軸器的選擇 16
2.6 鏈輪的設(shè)計(jì)與校核 17
2.7軸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核 18
2.8 軸承的選擇 25
第三章 煤巖界面識別系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26
3.1 煤巖界面識別的基本原理及信號拾取 26
3.1.1 煤巖界面識別的基本原理 26
3.1.3 傳感器的選用原則 26
3.2 振動(dòng)加速度傳感器 28
3.2.1振動(dòng)加速度傳感器的一般原理 28
3.2.2 內(nèi)裝IC壓電加速度傳感器 33
3.3 霍爾電流傳感器 36
3.3.1 兩種工作模式的霍爾電流傳感器 36
3.3.2霍爾電流傳感器的性能特點(diǎn) 38
3.3.3CHB-300S型系列閉環(huán)霍爾電流傳感器的參數(shù)及外形介紹 39
3.4應(yīng)變式扭矩傳感器 40
3.4.1 主要結(jié)構(gòu)和工作原理 41
3.4.2 BYP300型傳感器 41
3.5應(yīng)變式壓力傳感器 42
3.6 扭振傳感器 44
3.6.1 扭振測量原理 44
3.6.2 增量式編碼器 45
3.7 測試系統(tǒng)的搭建 46
致 謝 51
參考文獻(xiàn)資料 52
附錄一：英文資料 54
附錄二：中文翻譯 62
第一章 緒 論
1.1 課題研究背景：
煤巖界面識別的主要方法：60年代中期以來,各工業(yè)發(fā)達(dá)國家競相研究開發(fā)能辨識煤層一巖石分界面的煤巖界面識‘別傳感器。
從煤礦井下工作條件及工作對象來看,對煤巖界面識別傳感器有以下要求:
1. 分辨率:在典型地質(zhì)條件及正常工作噪聲和振動(dòng)的環(huán)境下,能精確地分辨50~25Omm厚的余煤,并要求重復(fù)性好。
2.輸出:要有一定輸出幅值以實(shí)現(xiàn)數(shù)顯或與采煤機(jī)控制系統(tǒng)聯(lián)接。
3.可靠性:能適應(yīng)井下惡劣的工作環(huán)境。
4.可行性:成本低、結(jié)構(gòu)簡單,可在采煤機(jī)上安裝。 目前各國在煤巖界面?zhèn)鞲衅鞯难芯糠矫嫒〉昧艘恍┏晒?也有產(chǎn)品投人工業(yè)應(yīng)用。
但由于煤礦工作環(huán)境惡劣,條件復(fù)雜,要實(shí)現(xiàn)精度高、可靠性好、適應(yīng)性廣的真正具有工業(yè)應(yīng)用價(jià)值的煤巖界面識別傳感器還有不少工作要做。在以往的研究中,針對煤巖界面的識別傳感原理提出了許多設(shè)想,’從運(yùn)用手段來講可分為放射性探測技術(shù)、機(jī)械振動(dòng)技術(shù)、電磁波技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、超聲波技術(shù)及熱敏檢測技術(shù)等幾大類。這些傳感原理中有的已付諸實(shí)施,但大部分尚在研討之中。
煤巖界面識別主要分為兩種: 煤厚測量型和煤巖界面測量型。
1放射性探測技術(shù)
1.γ背散射法：將人工放射源和放射性探測器放在頂煤下方。人工放射源放出的γ射線同頂煤發(fā)生作用后被反射回空氣中并被探測器探測到。這種反射γ射線的強(qiáng)度與頂煤后有關(guān)。
缺點(diǎn)：背散γ射線穿透能力有限，所能測得的頂煤厚度不大于250mm;難于保證與頂煤良好接觸；煤中夾雜物影響探測精度。
2.天然γ射線法：在頂板巖中通常含有鉀，釷，鈾三大系放射性元素的含量也不同，因此放射出的γ射線能量和強(qiáng)度都不同。
優(yōu)點(diǎn)：無放射源因而便于管理;探測范圍增大，最大頂煤厚度可測到50mm；傳感器為非接觸式不易損壞。
缺點(diǎn)：不能適用于頂板不含放射性元素或放射性元素較低的工作面，以及煤層中夾雜太多的情況。
2.振動(dòng)測試技術(shù)
1.拾振點(diǎn)位于采煤機(jī)部件上：檢測采煤機(jī)截齒，搖臂，調(diào)高油缸壓力，轉(zhuǎn)軸及機(jī)身的振動(dòng)信號，經(jīng)信號分析處理來判斷采煤機(jī)是否切割刀頂板。
缺點(diǎn)：工作中截齒經(jīng)常切入巖石，因此對于某些采煤工藝要求預(yù)留頂煤或高瓦斯工作面，推廣受到了限制。另外截齒的損耗也較大些。
2.拾振點(diǎn)位于頂板上：拾振的加速度計(jì)安裝在頂板表面，采煤機(jī)割煤時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)波通過巖石傳播被加速度計(jì)檢測到，通過對振動(dòng)信號的處理就可判斷滾筒截齒是否切割到巖石。
優(yōu)點(diǎn)：可使儀器遠(yuǎn)離采煤機(jī)，減少采煤機(jī)噪聲的影響。研究表明在滾筒附近的頂板上安置拾振器，其信號檢測效果明顯比采煤機(jī)身上所測得的效果好。
3.電磁測試技術(shù)
1.雷達(dá)探測方法：當(dāng)一束電磁波透過頂煤向上發(fā)射時(shí)，由于煤和頂板材料不同 ，在煤巖界面上電磁波會(huì)被反射。反射波的速度，相應(yīng)滯后或從發(fā)射波到反射波被接受的時(shí)間間隙除與發(fā)射波頻率，煤和頂板材料等可測知的因素有關(guān)外，還與電磁波在頂煤中穿越路程即頂煤厚度有關(guān)。通過對接收到的反射波進(jìn)行信號處理可確定頂煤厚。
優(yōu)點(diǎn)：無需預(yù)先求取煤巖物理特性，十余、適用范圍更廣。
缺點(diǎn)：探測范圍太小，當(dāng)頂煤厚度增加時(shí)，信號衰減嚴(yán)重。
2.電子自旋共振方法：發(fā)射天線發(fā)射一恒定功率連續(xù)調(diào)頻電磁波，當(dāng)頻率f=2uH時(shí)發(fā)生共振。頂煤越厚，電磁波穿越路徑越長，吸收越多，功率下降幅值越大。根據(jù)共振頻率處的功率下降幅值就可測定頂煤厚度。
4.光學(xué)探測技術(shù)
1.激光粉塵探測技術(shù)：用收集裝置將切割滾筒附近的破碎物料的粉塵顆粒吸到專用的防火花隔爆室內(nèi)，用激光照射查明粉塵成分。通過粉塵中煤與巖石成分含量之比來推斷是否切割到頂巖。
缺點(diǎn)：不能推斷頂煤厚度，僅能識別截齒是否切入頂巖。
2.高壓水射流---光測法：用兩相距50mm的高壓噴嘴繞其對稱旋轉(zhuǎn)并噴射高壓水，在頂煤上會(huì)打出一個(gè)D50mm的孔，而在頂板上只會(huì)打出一圓形狹縫，孔的底平面就是頂煤厚。
5.熱敏探測技術(shù)
用高靈敏度的紅外測溫儀定向測量切割截齒附近煤巖體的溫度，由于煤巖物理特性不同，切割時(shí)產(chǎn)生的溫度不同，據(jù)此來判斷滾筒是否切割到煤巖界面。
優(yōu)點(diǎn)：紅外輻射對粉塵的穿透力強(qiáng)，高靈敏的紅外測溫儀可測出正負(fù)1℃的溫度變化，應(yīng)用前景。
1.2 目前國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀
近年來國內(nèi)外在此領(lǐng)域研究所采取的手段主要是: 基于煤巖自然伽瑪射線輻射特性的 NGR( Natural Gamma Radiate ion)傳感器法。此法對于高瓦斯礦特別適合, 但是該方法對采煤工藝有一定要求,即必須是留一定厚度的頂煤, 這樣降低了采出率;另外要求頂?shù)装鍑鷰r必須有放射性元素。例如對于頁巖( Shale)頂板有較好的適應(yīng)性, 而對于砂巖( Sandstone)頂板則適應(yīng)性極差。這種方法在英國有50 %的礦井可以使用, 在美國有 90 %的礦井可以使用, 而在我國僅有20 %左右的礦井可以應(yīng)用。因而這種方法的推廣使用受到了限制; 基于采煤機(jī)切割力響應(yīng)的煤巖界面識別傳感器法。此法是用傳感器拾取搖臂振動(dòng)信號、滾筒軸扭矩信號及調(diào)高油缸壓力信號進(jìn)行識別。由于在采煤過程中滾筒在做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因而信號的傳輸受到很大的影響, 到目前為止尚未見到成熟的方法及產(chǎn)品問世; 煤層界面紅外線探測裝置。它是用熱成像紅外攝像機(jī)探測開采煤層和臨近巖層的溫度變化。當(dāng)裝置的視頻探測裝置發(fā)現(xiàn)煤層或巖層的溫度出現(xiàn)變化后,即發(fā)出報(bào)警信號。目前國內(nèi)尚無涉足, 國外有致力于此方面的研究,但仍無成熟方法及產(chǎn)品問世。
1.3課題研究意義：
在煤礦井下開采過程中，既需要努力提高煤炭采出率，又必須盡可能避免采煤機(jī)滾筒截齒切割到頂板巖層而損壞設(shè)備甚至引發(fā)事故，因此需要在線識別煤層與巖層的分界面。煤巖界面識別方法、識別系統(tǒng)及識別探頭，通過將能夠穿透煤層而不能穿透巖層的特定能級的高壓水射流向巷道上方的煤層噴射，并實(shí)時(shí)感知被煤層或巖層反射的反射流對噴嘴形成的不同作用力，控制器據(jù)此判斷采煤機(jī)滾筒截齒上端與煤巖界面的距離，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)搖臂自動(dòng)調(diào)高控制，使煤炭開采過程實(shí)現(xiàn)高采出率、低機(jī)械磨損率、自動(dòng)化作業(yè)等目標(biāo)。
采煤機(jī)在工作過程中，滾筒的高度調(diào)節(jié)主要由人工完成。一方面，由于采煤機(jī)在工作過程中產(chǎn)生大量煤灰粉塵，使人工憑視覺難以觀察滾筒是否切割巖石。同時(shí)，機(jī)器本身的噪音很強(qiáng)，通過聲音狀態(tài)也難以判斷是否切割巖石。而且，人工在近距離操作控制采煤機(jī)，具有極大的危險(xiǎn)性，高粉塵的環(huán)境，以及在切割巖石時(shí)產(chǎn)生的火花，容易引起瓦斯爆炸。從安全的角度，都應(yīng)該采用傳感器獲取滾筒切割的狀態(tài)信息。另一方面，對于人工調(diào)節(jié)滾筒高度，具有極大滯后性，采煤機(jī)滾筒截割帶來大量巖石，混入原煤，降低了原煤的質(zhì)量，也給選煤工作帶來極大的不便，而且，切割巖石也磨損采煤機(jī)設(shè)備，減少了壽命，增加了維護(hù)維修的成本。同時(shí)，持續(xù)切割巖石也會(huì)造成采煤界面的頂巖坍塌，造成重大傷亡事故。采煤機(jī)的工作環(huán)境是高危險(xiǎn)，高粉塵，強(qiáng)噪音，陰暗的空間，對于人工獲得采煤機(jī)的工作狀態(tài)是難以完成的。實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高不僅是實(shí)現(xiàn)采煤工作面生產(chǎn)過程自動(dòng)化的重要環(huán)節(jié)而且對延長機(jī)器壽命、提高了采煤機(jī)的作業(yè)效率，提高設(shè)備可靠性、減輕截齒的磨損、減少采煤機(jī)的維修，保障工人安全、使作業(yè)人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)工作面、提高采煤作業(yè)的安全性，提高煤炭質(zhì)量具有重要意義，而自動(dòng)調(diào)高的前提是首先要對煤巖界面進(jìn)行識別。 煤巖界面識別CIR可以使采煤機(jī)具有自動(dòng)追蹤煤巖截割面的能力，不僅有助于引導(dǎo)煤礦井下采煤作業(yè)的自動(dòng)化，提高煤炭生產(chǎn)效益；而且減少在選煤過程中必須除去的矸石和其它礦物含量。煤巖界面識別技術(shù)可用于人工操作的采煤機(jī)以及計(jì)算機(jī)控制的采煤機(jī)。可靠的煤巖界面識別系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)效益和安全作業(yè)兩方面都具有突出的優(yōu)點(diǎn)，它可以提高煤層的回采率，降低煤中的矸石、灰份和硫的含量；提高采煤作業(yè)效率；減輕設(shè)備磨損；減少設(shè)備維修量和停機(jī)時(shí)間；由于振動(dòng)減小，降低了空氣中的巖塵含量，并可使作業(yè)人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)工作面。作為實(shí)現(xiàn)采煤自動(dòng)化的關(guān)鍵設(shè)備之一，煤巖界面識別系統(tǒng)需要深入研究。
在研究課題中積極地查閱圖書館文獻(xiàn)，上網(wǎng)查閱電子閱覽室中的文獻(xiàn)培養(yǎng)了自己進(jìn)行綜合分析和提高解決實(shí)際問題的能力，從而達(dá)到鞏固、擴(kuò)大、深化所學(xué)知識的目的。培養(yǎng)了自己調(diào)查研究，熟悉有關(guān)技術(shù)政策，運(yùn)用國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊等工具書，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、編寫技術(shù)文件的獨(dú)立工作能力。使自己建立正確的設(shè)計(jì)思想；初步掌握解決本專業(yè)工程技術(shù)問題的方法和手段；從而使自己受到一次工程師的基本訓(xùn)練。
1.4 任務(wù)內(nèi)容：
原始數(shù)據(jù) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識，完成以下內(nèi)容的設(shè)計(jì)。首先運(yùn)用相似原理對采煤機(jī)模型設(shè)備進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出采煤機(jī)模型的相似結(jié)構(gòu)（搖臂部分）；其次，對于用于煤巖界面識別的測試系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過以上課題的完成將培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立解決問題的能力，將使學(xué)生對課題完成的程序和步驟有一個(gè)全面的了解。
A.采煤機(jī)型號為MGTT400/900-3.3D電牽引采煤機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)有：
裝機(jī)總功率：900Kw（400Kw*2+40Kw*2+20Kw） 滾筒轉(zhuǎn)速：32.7r/min
截割速度：3.1m/s 牽引速度：0-9-15m/s 牽引力：500-300KN
滾筒直徑：1800mm 滾筒截深：800mm
B.按比例1：6設(shè)計(jì)采煤機(jī)模型
C.設(shè)計(jì)出的搖臂能帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，完成切割。采用變頻器，電動(dòng)機(jī)，鏈輪帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)。
D.測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
第二章 采煤機(jī)搖臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1相似理論概述
相似理論把數(shù)學(xué)解析法和實(shí)驗(yàn)法這兩種方法結(jié)合在一起，是一種指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的理論，它不但能大大地減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，而且還能將個(gè)別現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果推廣到同類相似現(xiàn)象上去，并能保證所得到的結(jié)果有一定的精確性。 1．相似現(xiàn)象 自然界中各事物是在不斷運(yùn)動(dòng)和變化的，它們變化過程的物理本質(zhì)也可能有所不同，其中物理本質(zhì)相同的物理現(xiàn)象群稱為同類現(xiàn)象，即同類現(xiàn)象不僅現(xiàn)象的性質(zhì)相同，且還能用同樣形式和同樣內(nèi)容的方程式來描述。如不同的流體在不同管徑的管道（不同邊界條件）中流動(dòng)就屬同類現(xiàn)象。 同類現(xiàn)象中的不同狀態(tài)之間，在空間上相對應(yīng)的各點(diǎn)、在時(shí)間上相對應(yīng)的瞬間，以及表征現(xiàn)象特性的同類物理量各自成比例常數(shù)，則此兩現(xiàn)象相似。由此可知，同類現(xiàn)象并不一定相似，而是指“在空間上相應(yīng)的各點(diǎn)、在時(shí)間上相對應(yīng)的瞬間且表征現(xiàn)象特性的同類物理量各自成比例常數(shù)”的兩個(gè)同類現(xiàn)象才相似。正如在幾何學(xué)上并不是所有三角形都相似，而是指其中“各對應(yīng)邊互成比例”的兩個(gè)三角形才相似。現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)象相似的定義，從下列幾方面對相似現(xiàn)象進(jìn)行較深入的闡述。 2．相似準(zhǔn)則 若兩個(gè)同類現(xiàn)象相似，則這兩現(xiàn)象幾何相似，時(shí)間相似，且物理量相似。同樣，兩對流換熱現(xiàn)象相似，則它們必定是幾何相似、時(shí)間相似及物理量相似（場相似）。由于對流換熱現(xiàn)象是在流體運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生在流體與壁面之間的熱量傳遞現(xiàn)象，它既涉及流體的運(yùn)動(dòng)，又涉及熱交換，因此對流換熱時(shí)的物理量相似，既包括了流體運(yùn)動(dòng)相似，又要求熱相似。 3．實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析及處理等方面工作。 運(yùn)用相似理論可將表征某現(xiàn)象的物理量整理成一些相似準(zhǔn)則。方程分析兀定理指出了這些準(zhǔn)則之間薦在著一定的函數(shù)關(guān)系——準(zhǔn)則方程式，而這種準(zhǔn)則方程式可近似地寫成指數(shù)函數(shù)的形式. 因?yàn)閷?shí)驗(yàn)是在各物理量（即各準(zhǔn)則）的一定變化范圍內(nèi)進(jìn)行的，因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所整理出來的準(zhǔn)則方程式也僅能應(yīng)用于準(zhǔn)則范圍相同的相似現(xiàn)象上去。 在不同的實(shí)驗(yàn)區(qū)間，準(zhǔn)則間的函數(shù)關(guān)系式可能不一樣，因此有時(shí)需根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)區(qū)間將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行整理，故在雙對數(shù)坐標(biāo)圖[=得出一條折線，組成折線的各直線線段其n值和C值都不相同，需分段計(jì)算。
相似理論中的三個(gè)定理賴以存在的基礎(chǔ)為：
(1)現(xiàn)象相似的定義；
(2)自然界中存在的現(xiàn)象所涉及到的各物理量的變化受制于主宰這種現(xiàn)象的各個(gè)客觀規(guī)律，它們不能任意變化；
(3)現(xiàn)象中所涉及的各物理量的大小是客觀存在的，與所采用的測量單位無關(guān)。
2. 相似理論在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
實(shí)質(zhì)上相似理論在工程上的應(yīng)用過程就是根據(jù)實(shí)型建立相關(guān)模型，由模型做實(shí)驗(yàn)來測定它們的規(guī)律，再用于實(shí)型的設(shè)計(jì)過程，二者之間的相關(guān)性都是借助于比實(shí)有物理量要少的物理量綱參數(shù)來描述的。同理，利用相似理論對實(shí)際工作尺寸實(shí)在太小而很難測度的一些工況，也可以設(shè)計(jì)模型做實(shí)驗(yàn)。例如彈流理論研究的對象是初始線接觸或點(diǎn)接觸的齒輪，凸輪等的彈性變形與流體潤滑油之間的關(guān)系。對于機(jī)械中常見零件表面，這種接觸區(qū)的變形與接觸區(qū)之間的潤滑膜，其尺寸之小是很難用實(shí)驗(yàn)測定的，利用相似理論則可以使其模型尺寸放的很大，圓盤半徑可達(dá)到2m，這樣對應(yīng)的模型尺寸就相應(yīng)的放大，接觸區(qū)的油膜厚度也放大了。若是沒有做依據(jù)，彈流理論中所研究的這些現(xiàn)象還很難通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。
3.相似數(shù)的不唯一性
在一個(gè)學(xué)科中各個(gè)科學(xué)家在研究同一問題時(shí)往往會(huì)采用不同的物理量綱參數(shù)，原因是他們在無量綱分析中考慮問題的重點(diǎn)不同，側(cè)重面不一樣。雖然都是應(yīng)用π定理，采用（n-m）個(gè)無量綱參數(shù)，卻采用不同的相似數(shù)來描述。例如，在初始線接觸彈性流體動(dòng)力潤滑現(xiàn)象的研究和潤滑理論的描述上，國外學(xué)者就采用不同的無量綱參數(shù)，這樣就使得他們的研究各有所長，也各有缺陷。利用相似理論可以在各方面觀察問題，量綱分析基本給定的（n-m）個(gè)無量綱參數(shù)可以有各種不同的組合形式。
4.相似準(zhǔn)數(shù)和相似倍數(shù)的確定
相似準(zhǔn)數(shù)的導(dǎo)出采用量綱分析法。選取相似材料單軸抗壓強(qiáng)度Rc、滾筒直徑 D、滾筒轉(zhuǎn)速n為因此分析的基本參數(shù)，根據(jù)幾何相似倍數(shù)k=6分別確定了各參數(shù)的相似準(zhǔn)數(shù)和相似倍數(shù)，并列于下表。
表2-1 相似準(zhǔn)數(shù)與相似倍數(shù)
π1 Cφ
1
截齒寬度
b
b/D
K
2
截齒截距
t
T/D
K
3
切削厚度
d
d/D
K
4
葉片螺旋角
α
α
1
5
滾筒螺旋葉片頭數(shù)
m
m
1
6
滾筒轉(zhuǎn)速
n
-
-1/k
7
牽引速度
v
v/nD
k
8
整機(jī)功率
N
N/DRn
k
9
抗剪強(qiáng)度
τ
τ/R
1
10
塑性指數(shù)
K
K/ R
1
11
抗拉強(qiáng)度
R
R/ R
1
12
侵入硬度
C
C/ R
1
13
彈性模量
E
E
1
14
截割扭矩
M
M/ DR
k
15
油缸壓力
P
P/ R
1
16
搖臂振動(dòng)加速度
A
A/DN
k
5. 相似的特點(diǎn)：
相似理論主要應(yīng)用于指導(dǎo)模型試驗(yàn)，確定“模型”與“原型”的相似程度、等級等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，相似理論不但成為物理模型試驗(yàn)的理論而繼續(xù)存在，而且進(jìn)一步擴(kuò)充其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，成為計(jì)算機(jī)“仿真”等領(lǐng)域的指導(dǎo)性理論之一。隨著“相似”概念日益擴(kuò)大，相似理論有從自然科學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到包括經(jīng)濟(jì)、社會(huì)科學(xué)以及思維科學(xué)和認(rèn)知哲學(xué)領(lǐng)域的趨勢。
相似理論從現(xiàn)象發(fā)生和發(fā)展的內(nèi)部規(guī)律性(數(shù)理方程)和外部條件(定解條件)出發(fā)，以這些數(shù)理方程所固有的在量綱上的齊次性以及數(shù)理方程的正確性不受測量單位制選擇的影響等為大前提，通過線性變換等數(shù)學(xué)演繹手段而得到了自己的結(jié)論。相似理論的特點(diǎn)是高度的抽象性與寬廣的應(yīng)用性相結(jié)合，相似理論的內(nèi)容并不多，甚至不被當(dāng)作一個(gè)單獨(dú)的學(xué)科。相似理論是試驗(yàn)的理論，用以指導(dǎo)試驗(yàn)的根本布局問題，它為模擬試驗(yàn)提供指導(dǎo)，尺度的縮小或放太，參數(shù)的提高或降低，介質(zhì)性能的改變等，目的在于以最低的成本和在最短的運(yùn)轉(zhuǎn)周期內(nèi)摸清所研究模型的內(nèi)部規(guī)律性。相似理論在現(xiàn)代科技中的最主要價(jià)值在于它指導(dǎo)模型試驗(yàn)上。盡管相似理論本身是一個(gè)比較嚴(yán)密的數(shù)理邏輯體系，但是，一旦進(jìn)入實(shí)際的應(yīng)用課題，在很多情況下，不可能是很精確的。因?yàn)橄嗨评碚撍幚淼膯栴}通常是極其復(fù)雜的。
6.相關(guān)概念：
1)相似及相似常數(shù)
如果原型和模型相對應(yīng)的各點(diǎn)及在時(shí)間上對應(yīng)的各瞬間的一切物理量成比例，則兩個(gè)系統(tǒng)相似。相似常數(shù)(也稱為相似比、比尺、模擬比、相似系數(shù)等)是模型物理量同原型物理量之比。主要有幾何相似比、應(yīng)力、應(yīng)變、位移、彈性模量、泊松比、邊界應(yīng)力、體積力、材料密度、容重相似比等。在這些相似常數(shù)中，長度、時(shí)間、力所對應(yīng)的相似常數(shù)稱為基本相似常數(shù)。
(2)相似指標(biāo)及相似判據(jù)
模型和原型中的相似常數(shù)之間的關(guān)系式稱為相似指標(biāo)。若兩者相似，則相似指標(biāo)為1。由相似指標(biāo)導(dǎo)出的無量綱量群稱為相似判據(jù)。
著名理論;
相似第一定理：兩個(gè)相似的系統(tǒng)，單值條件相同，其相似判據(jù)的數(shù)值也相同。
相似第二定理：當(dāng)一現(xiàn)象由n個(gè)物理量的函數(shù)關(guān)系來表示，且這些物理量中含有m種基本量綱時(shí)，則能得到(n-m)個(gè)相似判據(jù)。
相似第三定理：凡具有同一特性的現(xiàn)象，當(dāng)單值條件(系統(tǒng)的幾何性質(zhì)、介質(zhì)的物理性質(zhì)、起始條件和邊界條件等)彼此相似，且由單值條件的物理量所組成的相似判據(jù)在數(shù)值上相等時(shí)，則這些現(xiàn)象必定相似。
這3條定理構(gòu)成了相似理論的核心內(nèi)容。相似第三定理明確了模型滿足什么條件、現(xiàn)象時(shí)才能相似，它是模型試驗(yàn)所必須遵循的法則。
2.2 采煤機(jī)搖臂模型功率確定
任務(wù)書給定比例為 1：6 即 k=6
任務(wù)書給定整機(jī)功率為：900kw （400kw*2+40kw*2+20kw）
搖臂電機(jī)功率為 400kw
搖臂模型功率為 p=p/k=400kw/6=1.85kw
2.3電動(dòng)機(jī)的選擇
電動(dòng)機(jī)分交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)兩種。由于直流電動(dòng)機(jī)需要直流電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格較高，維護(hù)比較不便，因此無特殊要求時(shí)不宜采用。 生產(chǎn)單位一般用三相交流電源，因此無特殊需求時(shí)都應(yīng)用交流電動(dòng)機(jī)。交流電動(dòng)機(jī)有異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)兩種。異步電動(dòng)機(jī)有籠型和繞線型兩種，其中以普通籠型電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最多。
本次設(shè)計(jì)中選擇：三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，封閉式結(jié)構(gòu)，Y系列，2.2KW,
1500r/min,Y100L-4型號電動(dòng)機(jī)。
電動(dòng)機(jī)的功率的合適與否，對電動(dòng)機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。功率小于工作要求，就不能保證工作機(jī)的正常工作，或使電動(dòng)機(jī)長期過載而過早損壞；功率過大則電動(dòng)機(jī)價(jià)格較高，能力不能充分利用，由于經(jīng)常不滿載運(yùn)行，效率和功率因數(shù)都較低，增加電能消耗，造成很大浪費(fèi)。電動(dòng)機(jī)的功率主要根據(jù)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱條件來決定。電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱與其運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。運(yùn)行狀態(tài)有三類，即長期連續(xù)運(yùn)行、短期運(yùn)行、重復(fù)段試運(yùn)行。
本次設(shè)計(jì)中選擇：2.2kw
功率相同的同類型電動(dòng)機(jī)，有幾種不同的轉(zhuǎn)速系列供使用者選擇，如三相異步電動(dòng)機(jī)常用有四種同步轉(zhuǎn)速，即3000、1500、1000、750r/min。同步轉(zhuǎn)速為由電流頻率與對數(shù)而定的磁場轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)空載時(shí)才能到達(dá)同步轉(zhuǎn)速，負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速都低于同步轉(zhuǎn)速。
低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)的極對數(shù)多，轉(zhuǎn)矩也大，因此外輪廓尺寸及重量都大，價(jià)格較高，但可以使傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比減小，使傳動(dòng)裝置的體積、重量較??；高速電動(dòng)機(jī)則相反。因此確定電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)要綜合考慮，分析比較電動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)裝置的性能，尺寸、重量和價(jià)格等因素。通常多選用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min和1000r/min的電動(dòng)機(jī)。如無特殊要求，一般不選用750r/min的電動(dòng)機(jī)。
本次設(shè)計(jì)中選擇：1500r/min
綜合以上選擇參數(shù)可選的電動(dòng)機(jī)：Y100L1-4型號電動(dòng)機(jī)
2.4變頻器的選擇
2.4.1變頻器調(diào)速簡介
這些年來，隨著電力電子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，采用半導(dǎo)體變流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。尤其是隨著大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流調(diào)速系列產(chǎn)品開發(fā)創(chuàng)造了有利的條件，使得交流電力拖動(dòng)逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及在四象限做可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能。交流調(diào)速技術(shù)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，可以節(jié)約能源，節(jié)省占地面積，并可以應(yīng)用于大容量電機(jī)及惡劣的工作環(huán)境等有點(diǎn)，所以在各個(gè)工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍正逐漸加大。
1.電機(jī)牽引的調(diào)速原理
根據(jù)電機(jī)學(xué)理論，交流異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為
n=（1-s）60f/p
式中 n------電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
S------轉(zhuǎn)差率
P------定子極對數(shù)
f------定子供電電源頻率
從式中可以看出，在保持 p，s不變的條件下，若均勻的改變f，則可以平滑的改變電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速。而為了保持在低速時(shí)的電機(jī)機(jī)械特性能夠滿足生產(chǎn)的要求，就要求在調(diào)頻的同時(shí)改變電動(dòng)機(jī)的定子電壓，這樣就會(huì)產(chǎn)生不同的變頻調(diào)速方式。其中，交直交變頻調(diào)速裝置有整流器與逆變器組成，它是將交流電先經(jīng)過可控整流器變成幅值可變的直流電壓，然后在將此直流電壓經(jīng)逆變器變成頻率可調(diào)的交流輸出，用此變頻器輸出的交流電源可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)牽引調(diào)速的目的。
2.變頻器工作原理
變頻器裝置主要由整流器、逆變器、制動(dòng)斬波器、控制單元、電機(jī)控制板、主電路接口板等組成。
變頻器的主回路由牽引變壓器供電，AC3 300v 的主電源經(jīng)變頻器、專用變壓器變至AC400v，成為變頻器電源輸入端U1,V1,W1.
變頻器的輸入整流部分是由大功率二極管和晶閘管組成的三相橋式半控整流器，它比三相橋式全控整流器電路控制簡單、經(jīng)濟(jì)。這種電路是由共陰極接法的三相半波可控整流電路和共陽極接法的三相半波不可控整流電路串聯(lián)組成，兼有可控與不可控兩者的特性。輸出整流電壓的波形是二組整流電壓波形之和，只要改變共陰極組晶閘管的導(dǎo)通角，就可獲得可調(diào)的直流電壓。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度同頻率成比例。
?? 本文中所指的電機(jī)為感應(yīng)式交流電機(jī)，在工業(yè)中所使用的大部分電機(jī)均為此類型電機(jī)。感應(yīng)式交流電機(jī)（以后簡稱為電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)速度近似地確決于電機(jī)的極數(shù)和頻率。由電機(jī)的工作原理決定電機(jī)的極數(shù)是固定不變的。由于該極數(shù)值不是一個(gè)連續(xù)的數(shù)值（為2的倍數(shù)，例如極數(shù)為2，4，6），所以一般不適和通過改變該值來調(diào)整電機(jī)的速度。另外，頻率能夠在電機(jī)的外面調(diào)節(jié)后再供給電機(jī)，這樣電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度就可以被自由的控制。因此，以控制頻率為目的的變頻器，是做為電機(jī)調(diào)速設(shè)備的優(yōu)選設(shè)備。
n = 60f/p
n: 同步速度
f: 電源頻率
p: 電機(jī)極對數(shù)
改變頻率和電壓是最優(yōu)的電機(jī)控制方法。
如果僅改變頻率而不改變電壓，頻率降低時(shí)會(huì)使電機(jī)出于過電壓（過勵(lì)磁），導(dǎo)致電機(jī)可能被燒壞。因此變頻器在改變頻率的同時(shí)必須要同時(shí)改變電壓。輸出頻率在額定頻率以上時(shí)，電壓卻不可以繼續(xù)增加，最高只能是等于電機(jī)的額定電壓。
2.4.2 變頻器的參數(shù)
根據(jù)電動(dòng)機(jī)的功率，選擇變頻器。
本次設(shè)計(jì)中選擇 PI89系列， 93系列， 9302
輸出額定功率 2hp=2*745.5w
輸出額定電流 4A
輸出電壓 380±10﹪V
頻率 50-65H
輸出電壓 380V
輸出頻率 0-125H
頻率精度 0.5﹪
2.5 選擇聯(lián)軸器
聯(lián)軸器分為剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器。而撓性聯(lián)軸器又分為無彈性元件、金屬彈性元件和非金屬原件，后兩種統(tǒng)稱為彈性聯(lián)軸器。彈性聯(lián)軸器適用于兩軸能嚴(yán)格對中并在工作中不發(fā)生相對位移的地方；撓性聯(lián)軸器適用于有偏斜或工作中有相對位移的地方。在設(shè)計(jì)和選擇聯(lián)軸器時(shí)，除應(yīng)考慮兩軸的相對位置和位置的變動(dòng)情況外，還應(yīng)考慮動(dòng)力機(jī)和工作機(jī)的工作性質(zhì)。因此，對于再載荷平穩(wěn)、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定 、同軸度好、無相對位移的可選用剛性聯(lián)軸器，有相對位移的需選用無彈性元件的撓性聯(lián)軸器。載荷和速度不大、同軸度不易保證的，宜選用定剛度彈性聯(lián)軸器；載荷、速度變化較大的最好采用具有緩沖、減震作用的變剛度彈性聯(lián)軸器。對于動(dòng)載荷較大的機(jī)器，宜采用重量輕、 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小的聯(lián)軸器。
本次設(shè)計(jì)中選用齒式聯(lián)軸器，這種聯(lián)軸器屬于無彈性元件撓性聯(lián)軸器。在允許綜合位移的聯(lián)軸器中，采用聯(lián)軸器是最有代表性的一種。
采煤機(jī)的滾筒轉(zhuǎn)速：32.7r/min
模型滾筒轉(zhuǎn)速：n=32.7/（1/6）=196.2r/min
本次設(shè)計(jì)中選擇;彈性柱銷齒式聯(lián)軸器 GB5015-85 ZL2如下表：
表 2-2彈性柱銷齒式聯(lián)軸器
型號
許用轉(zhuǎn)矩Tn
許用轉(zhuǎn)速n
軸孔直徑d1 d2
Y型L
J1 l1型l1
ZL2
250N*M
4000r/min
25mm 28mm
62mm
44mm
2.6 鏈輪的設(shè)計(jì)與校核
選擇鏈輪齒數(shù) 自定 =23
傳動(dòng)比 i=1
大鏈輪的齒數(shù) =i i=23
選取鏈節(jié)距
初定中心距 取 a=25p
鏈節(jié)距 =103
傳動(dòng)功率 =1.2×2/（1.23×1） （式14.20）≥1.95kW
=1.2，見14.4節(jié)；=1.23，見表14.2； =1，見表14.3
鏈節(jié)距 根據(jù)≥1.95KW、=1420r/min，由圖14.7查出選用08A滾子鏈
取P=12.7mm
確定實(shí)際中心距
中心距
取 a=317.5mm
滾筒轉(zhuǎn)速 ==196.2r/min
鏈速 V==0.955m/s
有效拉力
軸上載荷
定潤滑方式
潤滑方式 根據(jù)v、p由圖14.23查出 油浴或飛濺潤滑
2.7軸的設(shè)計(jì)計(jì)算與校核
軸材料選用45鋼調(diào)質(zhì)，σb=610MPa，σs=360MPa。
1. 初步確定軸徑
d≥ mm
查表16.2得 C=118
d==24.94mm
2. 初步設(shè)計(jì)軸結(jié)構(gòu)
輸入軸：
圖 2-1輸入軸
輸出軸：
圖 2-2輸出軸
3.計(jì)算各個(gè)軸的轉(zhuǎn)矩
電機(jī)軸的轉(zhuǎn)矩 = =107.08N·M
4. 輸入軸設(shè)計(jì)計(jì)算
圖 2-3 輸入軸受力圖
計(jì)算支撐反力
水平支反力
垂直支反力
水平面受力圖
1375
2268
1375
圖 2-4水平面受力圖
畫彎矩圖
水平面彎矩圖
圖 2-5水平面彎矩圖
軸受轉(zhuǎn)矩
許用應(yīng)力
許用應(yīng)力值 查表16.3得 【】=95MPa []=55MPa
應(yīng)力校正系數(shù) α= α= 0.58
當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 =0.58×104938 =60864.04N·mm
當(dāng)量彎矩 Mˊ= Mˊ=103330N·mm
校核軸徑 d= d= 26mm≤34mm
圖 2-5 軸轉(zhuǎn)矩圖
圖 2-6當(dāng)量彎矩圖
5.輸出軸的設(shè)計(jì)校核
輪受力的計(jì)算
圓周力的計(jì)算 =5413.15 N
=3789.2 N
軸受力圖
3789.2
417
5413.15
3789.2
圖 2-7軸受力圖
計(jì)算支撐反力
水平受力圖
417
3789.2
圖 2-8水平受力圖
水平面受力 =(202.7-66.1)/132.2
=(202.7×3789.2-66.1×417)/132.2 = 5601.42N
=+-
=417+5601.42-3789.2 =2229.22N
垂直面受力圖
5413.15
圖 2-9垂直面受力圖
垂直反力 =202.7/132.2=（202.7×5413.15）/132.2 =8299.89N
=-=8299.89-5413.15 =2886.74N
畫出彎矩圖
水平彎矩圖
147351.44
343255.02
圖 2-10水平彎矩圖
垂直彎矩圖
381627.08
圖 2-11垂直彎矩圖
合成彎矩 M=
合成彎矩圖
298419.38
465835.66
圖 2-12合成彎矩圖
畫軸轉(zhuǎn)矩圖
圖 2-13軸轉(zhuǎn)矩圖
軸受轉(zhuǎn)矩 T=102850N﹒mm
許用應(yīng)力 查表16.3得 = 95
= 55
= = 0.58
畫當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 =0.58×102850 =59653N·mm
當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 = = 469639.59 N·mm
= =304323.19 N·mm
當(dāng)量彎矩圖
圖 2-14 當(dāng)量彎矩圖
校核軸徑
= =38.64mm<40mm
= =34.67mm<38mm
2.8 軸承的選擇
軸承的型號可以由軸的直徑選擇，一個(gè)軸上要選擇同一規(guī)格的軸承，使軸孔可以一次鏜出，保證加工精度。
選擇滾動(dòng)軸承類型時(shí)，必須了解軸承的工作載荷、轉(zhuǎn)速及其他使用要求，以下選用原則：
1.轉(zhuǎn)速較高、載荷較小、要求旋轉(zhuǎn)精度較高時(shí)選用球軸承；轉(zhuǎn)速較低、載荷較大或有沖擊載荷時(shí)選用滾子軸承。
2.軸承上同時(shí)受徑向和軸向聯(lián)合載荷，一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承；若徑向載荷較大、軸向載荷較小，可選用深溝球軸承；而當(dāng)軸向載荷較大、徑向載荷較小時(shí)，可采用推力角接觸軸承。
本次設(shè)計(jì)中忽略徑向力 故選用圓柱滾子軸承，N206 208
第三章 煤巖界面識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 煤巖界面識別的基本原理及信號拾取
3.1.1 煤巖界面識別的基本原理
采煤機(jī)在截割煤層和截割巖石時(shí)，滾動(dòng)傳動(dòng)軸上的扭矩，調(diào)高油缸的壓力，搖臂的振動(dòng)及應(yīng)變，電機(jī)負(fù)載電流及截割噪聲等存在一定的差異。若能找到這些信號隨著采煤機(jī)截割狀態(tài)的變化而變化的規(guī)律，就可以通過間接測量信號來判斷采煤機(jī)的截割狀況。為此，有必要討論截割力與響應(yīng)信號的關(guān)系。
3.1.2 響應(yīng)信號的確定
需要在適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控指數(shù)是非常關(guān)鍵的。理想情況下，監(jiān)控指數(shù)應(yīng)能：A 對過程健康靈敏；B對過程條件不靈敏；C 實(shí)現(xiàn)成本經(jīng)濟(jì)。實(shí)際上，監(jiān)控指數(shù)是一分析研究、計(jì)算機(jī)過程仿真和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。在許多應(yīng)用中，監(jiān)控指數(shù)的選擇需要一定的技巧，監(jiān)控指數(shù)的適當(dāng)選擇包含著各種各樣的信號處理技術(shù)。
根據(jù)觀測和總結(jié)，有以下幾個(gè)方面體現(xiàn)切割狀態(tài)的變化：1.滾筒軸的扭矩信號；2.滾筒軸的扭振信號；3.截割電機(jī)的電流；4.調(diào)高油缸壓力；5.搖臂振動(dòng)狀態(tài)。
3.1.3 傳感器的選用原則
現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以及測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個(gè)量的測量時(shí)首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。
1、根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型
要進(jìn)行—個(gè)具體的測量工作，首先要考慮采用何種原理的傳感器，這需要分析多方面的因素之后才能確定。因?yàn)椋词故菧y量同一物理量，也有多種原理的傳感器可供選用，哪一種原理的傳感器更為合適，則需要根據(jù)被測量的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法，有線或是非接觸測量；傳感器的來源，國產(chǎn)還是進(jìn)口，價(jià)格能否承受，還是自行研制。
2、靈敏度的選擇
通常，在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。因?yàn)橹挥徐`敏度高時(shí)，與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。但要注意的是，傳感器的靈敏度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測量精度。因此，要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡員減少從外界引入的廠擾信號。
傳感器的靈敏度是有方向性的。當(dāng)被測量是單向量，而且對其方向性要求較高，則應(yīng)選擇其它方向靈敏度小的傳感器；如果被測量是多維向量，則要求傳感器的交叉靈敏度越小越好。
3、頻率響應(yīng)特性
傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許頻率范圍內(nèi)保持不失真的測量條件，實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總有—定延遲，希望延遲時(shí)間越短越好。
傳感器的頻率響應(yīng)高，可測的信號頻率范圍就寬，而由于受到結(jié)構(gòu)特性的影響，機(jī)械系統(tǒng)的慣性較大，因有頻率低的傳感器可測信號的頻率較低。在動(dòng)態(tài)測量中，應(yīng)根據(jù)信號的特點(diǎn)(穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、隨機(jī)等)響應(yīng)特性，以免產(chǎn)生過火的誤差。
4、線性范圍
傳感器的線形范圍是指輸出與輸入成正比的范圍。以理論上講，在此范圍內(nèi)，靈敏度保持定值。傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。在選擇傳感器時(shí)，當(dāng)傳感器的種類確定以后首先要看其量程是否滿足要求。但實(shí)際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當(dāng)所要求測量精度比較低時(shí)，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看作線性的，這會(huì)給測量帶來極大的方便。
5、穩(wěn)定性
傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。影響傳感器長期穩(wěn)定性的因素除傳感器本身結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。因此，要使傳感器具有良好的穩(wěn)定性，傳感器必須要有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。在選擇傳感器之前，應(yīng)對其使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)具體的使用環(huán)境選擇合適的傳感器，或采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減小環(huán)境的影響。傳感器的穩(wěn)定性有定量指標(biāo)，在超過使用期后，在使用前應(yīng)重新進(jìn)行標(biāo)定，以確定傳感器的性能是否發(fā)化。在某些要求傳感器能長期使用而又不能輕易更換或標(biāo)定的場合，所選用的傳感器穩(wěn)定性要求更嚴(yán)格，要能夠經(jīng)受住長時(shí)間的考
6、精度
精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測量系統(tǒng)測量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可以在滿足同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。如果測量目的是定性分析的，選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的；如果是為了定量分析，必須獲得精確的測量值，就需選用精度等級能滿足要求的傳感器。對某些特殊使用場合，無法選到合適的傳感器，則需自行設(shè)計(jì)制造傳感器。自制傳感器的性能應(yīng)滿足使用要求。
3.2 振動(dòng)加速度傳感器
3.2.1振動(dòng)加速度傳感器的一般原理
本課題選用的是壓電式振動(dòng)加速度傳感器拾取搖臂振動(dòng)信號。
壓電式- 原理和特點(diǎn)
壓電式傳感器是利用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)原理。敏感芯體質(zhì)量受振動(dòng)加速度作用后產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的力，壓電材料受此力作用后沿其表面形成與這一力成正比的電荷信號。壓電式加速度傳感器具有動(dòng)態(tài)范圍大、頻率范圍寬、堅(jiān)固耐用、受外界干擾小以及壓電材料受力自產(chǎn)生電荷信號不需要任何外界電源等特點(diǎn)，是被最為廣泛使用的振動(dòng)測量傳感器。雖然壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，商業(yè)化使用歷史也很長，但因其性能指標(biāo)與材料特性、設(shè)計(jì)和加工工藝密切相關(guān)，因此在市場上銷售的同類傳感器性能的實(shí)際參數(shù)以及其穩(wěn)定性和一致性差別非常大。
壓電加速度傳感器的敏感芯體一般由壓電材料和附加質(zhì)量塊組成，當(dāng)質(zhì)量塊受到加速度作用后便轉(zhuǎn)換成一個(gè)與加速度成正比并加載到壓電材料上的力，而壓電材料受力后在其表面產(chǎn)生一個(gè)與加速度成正比的電荷信號。壓電材料的特性決定了作用力可以是受正應(yīng)力也可以是剪應(yīng)力，壓電材料產(chǎn)生的電荷大小隨作用力的方向以及電荷引出表面的位置而變。根據(jù)壓電材料不同的受力方法，常用傳感器敏感芯體的結(jié)構(gòu)一般有以下三種形式：
１）壓縮形式– 壓電材料受到壓縮或拉伸力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。壓縮式敏感芯體是加速度傳感器中最為傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。其特點(diǎn)是制造簡單方便，能產(chǎn)生較高的自振諧振頻率和較寬的頻率測量范圍。而最大的缺點(diǎn)是不能有效地排除各種干擾對測量信號的影響。
２）剪切形式– 通過對壓電材料施加剪切力而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。從理論上分析在剪切力作用下壓電材料產(chǎn)生的電荷信號受外界干擾的影響甚小，因此剪切結(jié)構(gòu)形式成為最為廣泛使用的加速度傳感器敏感芯體。然而在實(shí)際制造過程中，確保剪切敏感芯體的加速度計(jì)持有較高和穩(wěn)定的頻率測量范圍卻是傳感器制造中工藝中最為困難的一個(gè)環(huán)節(jié)。北智BW-Sensor 采用進(jìn)口記憶金屬材料的緊固件從而保證傳感器具有穩(wěn)定可靠的諧振頻率和頻率測量范圍。
３）彎曲變形梁形式- 壓電材料受到彎曲變形而產(chǎn)生電荷的結(jié)構(gòu)形式。彎曲變形梁結(jié)構(gòu)可產(chǎn)生比較大的電荷輸出信號，也較容易實(shí)現(xiàn)控制阻尼；但因?yàn)槠錅y量頻率范圍低，更由于此結(jié)構(gòu)不能排除因溫度變化而極容易產(chǎn)生的
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