CN110032087A - 基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法 - Google Patents

基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法，通过模型小车来模拟连采装备履带行驶系统，将应变片布置在驱动轮上，通过确定与连采行驶系统动载荷估计有关的物理量推导相似准则；通过小车实验测转速、振动加速度、应变三者的实时数据，带入相似准则计算得出连采行驶系统的动载荷；最后把连采行驶系统三维模型导入动力学仿真软件中进行仿真，得到链板销轴的动载荷数据，与相似理论得出的数据进行比较，进而对三维模型进行修改。本发明通过测试模型小车驱动轮受到的驱动力，利用相似理论来估算连采行驶系统的动载荷，实现连采行驶系统动载荷的间接可测，解决了连采行驶系统在矿井下动载荷无法实测的问题。

Description

基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法
技术领域
本发明属于连采行驶系统链板间销轴受力估算技术领域，涉及一种基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法。
背景技术
连采机是一种综合掘进、短壁开采设备，集切割、行走、转运、喷雾灭尘于一体，是由多个机构连组装在一起进行工作的，其中，连采装备履带行驶系统作为连采机的行走部分。连采装备履带行驶系统工作环境恶劣，长期运行于积水，凹凸不平的道路，连采行驶系统工作时承受载荷很大，工作时振动剧烈，链板间的销轴本身承受的剪切力很大，长期处于这种工作环境下，使得链板间的销轴很容易疲劳断裂。
由于连采装备履带行驶系统自身体积很大，维修时需要将其从矿井下运到地面，不仅要把整车拆开通过轨道车运输的，费时费力，而且矿下工作也受到很大程度的耽误，损失极大。此外，矿井下工作环境恶劣，而且在井下向连采装备履带行驶系统布置传感器十分困难，导致连采装备履带行驶系统的动载荷无法实测，所以要通过模型小车用相似理论估计履带行驶系统链板间销轴的动载荷。
测量链板间销轴的剪切力时用的应变片是无法直接粘贴在链板销轴上的。由于履带的转动和履带上空间的限制，应变测试设备在链板上也无法安装，所以实验中模型小车链板间销轴的剪切力很难测出。
发明内容
为了解决现有连采装备履带行驶系统动载荷测量困难的问题，本发明公开了一种基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法，将应变片布置在驱动轮上，用于测试驱动轮受到的驱动力，利用相似理论，通过小车驱动轮上受到的动载荷来估算连采行驶系统的动载荷，实现连采行驶系统动载荷的间接可测。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明公开了一种基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法，通过模型小车来模拟连采装备履带行驶系统，具体包括如下步骤：
(1)采集与动载荷估计相关的模型小车的样本数据；优选地，步骤(1)中的样本数据包括：振动加速度ag，转速n，链板间张力F，电机功率P，链板弹性模量E，驱动轮直径d，履带行驶系统整体尺寸1和质量m。
(2)用量纲分析法，推导与动载荷估计有关的相似准则；(3)将步骤(1)中所采集的样本数据通过验证，得出模型小车与连采装备履带行驶系统符合相似理论的相似判据，其中d’和l’分别是模型小车驱动轮直径和模型小车尺寸，d和l是连采装备履带行驶系统驱动轮直径和连采装备履带行驶系统的整体尺寸。
作为一种优选实施方式，所述模型小车是由小车部分和数据采集部分组成的，所述数据采集部分所述数据采集部分包括固定在驱动轮上的电源模块、采集模块、减速电机、加速度传感器、应变片、转速传感器和转速模块；所述电源模块与采集模块连接用于电源模块向采集模块单独供电，所述采集模块与所述应变片连接，采集模块通过无线AP直接与计算机传输数据；所述加速度传感器与DH5922N动态信号测试分析系统通过信号输入线连接，所述DH5922N动态信号测试分析系统通过USB线与计算机连接并传输数据，所述光电转速传感器与转速模块通过信号输入线连接，所述转速模块通过USB线与计算机连接并传输数据。
连采装备履带行驶系统动载荷主要反应为小车链板间销轴的受力，其是通过驱动轮的应变计算，所述应变片粘贴在驱动轮上，测得的数据通过无线传输的方式传到计算机；较佳地，在所述驱动轮外侧依次固定着应变片、采集模块、辅助圆轮和电源模块，所述驱动轮与辅助圆轮同轴设置且通过螺栓固定，辅助圆轮中心设有供电源模块和采集模块的连接线通过的圆孔。
其中，减速电机直接与驱动轮连接，模型小车上还设有用于测量模型小车振动加速度的加速度传感器，由于驱动轮和减速电机附近的振动最激烈，为了测量振动加速度更准确，通常将加速度传感器设置在尽量靠近与驱动轮连接的减速电机附近；且为了数据采集的精准性更高，加速度传感器、应变片、转速传感器采集的均是同一个驱动轮的数据。
作为一种优选实施方式，所述活动架是由两个设有滑槽连接杆组成的，一个连接杆一端固定在车架上，并通过插设在两个滑槽中的螺栓将两个连接杆活动连接，另一个连接杆的自由端固定有转速传感器，并可以通过插设在两个滑槽中的螺栓滑动来调整转速传感器的位置。
作为一种优选实施方式，小车模型的驱动轮和履带板之间的接触载荷通过F’＝E’εA得到，E’为小车的弹性模量，ε为应变，通过应变片测得，A为面积；把采集的样本数据带入相似准则，得到连采装备履带行驶系统链板间销轴的动载荷；把连采装备履带行驶系统三维模型导入到动力学软件中进行仿真，可以得到连采装备履带行驶系统链板销轴的动载荷数据，然后与相似理论计算得出的数据进行比较，并根据误差大小对三维模型进行修正，如果计算所得误差在规定误差范围内，则输出准确三维模型；如果计算所得误差大于规定误差，则需要对三维模型进行修改，把修改后的新数据整理重新进行仿真，直到得到的误差落入规定误差范围内。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：
(1)煤矿井下工作环境恶劣而且传感器布置困难，导致连采行驶系统动载荷无法实测，借助按比例缩小的模型小车，通过相似理论进行动载荷估计，实现连采行驶系统动载荷的间接可测；
(2)布置在模型小车上的转速传感器和应变片为测试提供了极大的方便；
(3)用相似理论得到的结果可以验证动力学软件中仿真数据的准确性，并对动力学软件中的模型进行修正，形成一个不断完善的反馈，得到误差足够小的动载荷数据，为后续履带销轴的故障诊断打下基础。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中连采装备履带行驶系统动载荷估计流程图。
图2为本发明实施例中模型小车的结构示意图。
图3为本发明实施例中模型小车与转速传感器的安装位置示意图。
图4为本发明实施例中活动架的结构示意图。
图5为本发明实施例中模型小车与应变片的安装位置示意图。
图6为本发明实施例中电路控制原理图。
图中：1、车架；2、小车电池；3、加速度传感器布置处；4、减速电机；5、活动架(DH5640型光电转速传感器布置处)；5b、螺栓；6、电源模块；7、辅助圆轮；8、采集模块；9、驱动轮(应变片布置处)；10、支重轮；11、托带轮；12、导向轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图2-6所示的模型小车是由小车部分和数据采集部分组成的，所述数据采集部分包括固定在驱动轮上的DH5905型电源模块6、DH5905型采集模块8、工业60-775系列的减速电机4、1A113E型加速度传感器、应变片、DH5640型光电转速传感器和DH5905型转速模块；所述DH5905型电源模块6与DH5905型采集模块8连接用于DH5905型电源模块6向DH5905型采集模块8单独供电，所述DH5905型采集模块8与所述应变片信号连接，DH5905型采集模块8通过无线AP直接与计算机传输数据；所述1A113E型加速度传感器与DH5922N动态信号测试分析系统通过信号输入线连接，所述DH5922N动态信号测试分析系统通过USB线与计算机连接并传输数据，所述DH5640型光电转速传感器与DH5905型转速模块通过信号输入线连接，所述DH5905型转速模块通过USB线与计算机连接并传输数据。
进一步地，连采装备履带行驶系统动载荷主要反应为小车链板间销轴的受力，其是通过驱动轮9的应变计算，所述应变片粘贴在驱动轮9上，测得的数据通过无线传输的方式传到计算机；在所述驱动轮9外侧依次固定着应变片、DH5905型采集模块8、辅助圆轮7和DH5905型电源模块6，所述驱动轮9与辅助圆轮7同轴设置且通过螺栓固定，辅助圆轮7中心设有供DH5905型电源模块6和DH5905型采集模块8的连接线通过的圆孔，辅助圆轮7上还粘贴有反光片，以便于DH5640型光电转速传感器数据采集；减速电机4直接与驱动轮9连接，模型小车上还设有用于测量模型小车振动加速度的1A113E型加速度传感器，由于驱动轮和减速电机附近的振动最激烈，为了测量振动加速度更准确，将1A113E型加速度传感器设置在尽量靠近与驱动轮连接的减速电机附近即3处；且为了数据采集的精准性更高，1A113E型加速度传感器、应变片、DH5640型光电转速传感器采集的均是同一个驱动轮的数据；辅助圆轮中心设有供DH5905型电源模块6和DH5905型采集模块8的连接线通过的圆孔。
DH5640型光电转速传感器通过活动架5固定在车架1上，其中所述活动架5是由两个设有长度为60mm滑槽的连接杆组成的，滑槽的长度约占连接杆长度的2/3，一个连接杆一端(即5a)固定在车架1上，并通过插设在两个滑槽中的螺栓(即5b)将两个连接杆活动连接，另一个连接杆的自由端(即5c)固定有DH5640型光电转速传感器，DH5640型光电转速传感器垂直正对于辅助圆轮7的轮缘,并可以通过插设在两个滑槽中的螺栓滑动来随时调整DH5640型光电转速传感器的位置，很方便。
进一步地，辅助圆轮7的直径为60mm，材料为Q235，辅助圆轮7与驱动轮8之间采用螺栓固定。
通过上面模型的建立，选择测试参数和车辆的关键性已知参数建立量纲矩阵。
a<sub>1</sub> a<sub>2</sub> a<sub>3</sub> a<sub>4</sub> a<sub>5</sub> a<sub>6</sub> a<sub>7</sub> a<sub>8</sub>
a<sub>g</sub> n F P E d l m
M 0 0 1 1 1 0 0 1
T -2 -1 -2 -3 -2 0 0 0
L 1 0 1 2 -1 1 1 0
其中：ag为振动加速度，n为转速，F为链板间张力，P为电机功率，E为链板弹性模量，d为驱动轮直径，l为车的整体尺寸，m为模型小车质量。a1、a2、a3、a4、a5、a6、a7、a8为对应的导出量纲的指数，表格中的数字代表某一导出量纲对应三个基本量纲的指数。
通过量纲矩阵，可得三个线性代数方程组如下：
三个方程无法解出7个未知量，若设a4、a5、a6、a7、a8为三个方程中任意假定的已知量，可转化为下面的方程：
基本量纲数为3，总量纲数为8，所以相似准则数为5，
a4＝1，a5＝a6＝a7＝a8＝0，可得a1＝-1、a2＝1、a3＝-1
a5＝1，a4＝a6＝a7＝a8＝0，可得a1＝2、a2＝-4、a3＝-1
a6＝1，a4＝a5＝a7＝a8＝0，可得a1＝-1、a2＝2、a3＝0
a7＝1，a4＝a5＝a6＝a8＝0，可得a1＝-1、a2＝2、a3＝0
a8＝1，a4＝a5＝a6＝a7＝0，可得a1＝1、a2＝0、a3＝-1
根据以上的计算，可得到如下的π矩阵
a<sub>1</sub> a<sub>2</sub> a<sub>3</sub> a<sub>4</sub> a<sub>5</sub> a<sub>6</sub> a<sub>7</sub> a<sub>8</sub>
a<sub>g</sub> n F P E d l m
π<sub>1</sub> -1 1 -1 1 0 0 0 0
π<sub>2</sub> 2 -4 -1 0 1 0 0 0
π<sub>3</sub> -1 2 0 0 0 1 0 0
π<sub>4</sub> -1 2 0 0 0 0 1 0
π<sub>5</sub> 1 0 -1 0 0 0 0 1
可以推导出下面5个相似准则：
为了便于后面的处理，建立下面比例
其中：
以力F的π项为因变π项，π关系中任意俩个π项加减乘除或降幂仍不改变原来性质。
根据上面π关系建立新π项如下：
因为所以连采行驶系统和小车是相似的，以上相似准则正确，通过相似理论得出的数据是准确的。
上述相似准则中，ag’、n’可以通过实验测量得出，P’、E’、d’、l’、m’都是可以通过小车得到。n、P、E、d、l、m都可以通过连采行驶系统得到，所以kn、kF、kP、kE、kd、kl、km都是可以得出的，π关系中的π可以看为量纲为1的常数。
在上述发明内容中，我们推导出：
通过此式可求得连采行驶系统的振动加速度ag。
所以，在和中，除了因变F，其他都可以测出或者求得。而履带板间销轴的受力与链轮-履带板的接触载荷相一致，链轮-履带板的接触载荷可以通过F’＝E’εA得出，从而可得到履带板间销轴的受力，其中E’为小车的弹性模量，ε为应变，可以通过应变片测得，A为面积。最后只有F未知，可以求得连采行驶系统链板间销轴的受力。
将本发明的三维模型导入动力学仿真软件中进行仿真，可以得到链板销轴的动载荷数据，该数据与相似理论得出的数据进行比较，看误差是否足够小，然后对三维模型进行修改，把修改后的新数据整理重新进行仿真，直到得到误差足够小的结果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法，其特征在于，通过模型小车来模拟连采装备履带行驶系统，具体包括如下步骤：
(1)采集模型小车的动载荷估计相关的样本数据；
(2)用量纲分析法，推导与动载荷估计有关的相似准则；
(3)将步骤(1)中所采集的样本数据通过验证，得出模型小车与连采装备履带行驶系统符合相似理论，其中d’和l’分别是模型小车驱动轮直径和模型小车尺寸，d和l是连采装备履带行驶系统驱动轮直径和连采装备履带行驶系统的整体尺寸。
2.如权利要求1所述的基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法，其特征在于：所述模型小车是由小车部分和数据采集部分组成的，所述数据采集部分包括固定在驱动轮上的电源模块、采集模块、减速电机、加速度传感器、应变片、转速传感器和转速模块；所述电源模块与采集模块连接用于电源模块向采集模块单独供电，所述采集模块与所述应变片连接，采集模块通过无线AP直接与计算机传输数据；所述加速度传感器与DH5922N动态信号测试分析系统通过信号输入线连接，所述DH5922N动态信号测试分析系统通过USB线与计算机连接并传输数据，所述光电转速传感器与转速模块通过信号输入线连接，所述转速模块通过USB线与计算机连接并传输数据。
3.如权利要求2所述的基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法，其特征在于：所述应变片粘贴在驱动轮上。
4.如权利要求3所述的基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法，其特征在于：在所述驱动轮外侧依次固定着应变片、采集模块、辅助圆轮和电源模块，所述驱动轮与辅助圆轮同轴设置且通过螺栓固定，辅助圆轮中心设有供电源模块和采集模块的连接线通过的圆孔。
5.如权利要求2所述的基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法，其特征在于：所述活动架是由两个设有滑槽连接杆组成的，一个连接杆一端固定在车架上，并通过插设在两个滑槽中的螺栓将两个连接杆活动连接，另一个连接杆的自由端固定有转速传感器。
6.如权利要求1～5中任一所述的基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法，其特征在于：步骤(1)中的样本数据包括：振动加速度ag，转速n，链板间张力F，电机功率P，链板弹性模量E，驱动轮直径d，履带行驶系统整体尺寸l和质量m。
7.如权利要求6所述的基于相似理论的连采装备履带行驶系统动载荷估计方法，其特征在于：
1)、模型小车驱动轮-履带板的接触载荷通过F’＝E’εA得到，E’为小车的弹性模量，ε为应变，通过应变片测得，A为面积；
2)、把采集的样本数据带入相似准则，得到连采装备履带行驶系统链板间销轴的动载荷；
3)、把连采装备履带行驶系统三维模型导入到动力学软件中进行仿真，可以得到连采装备履带行驶系统链板销轴的动载荷数据，然后与相似理论计算得出的数据进行比较，并根据误差大小对三维模型进行修正。
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