文献翻译-面向采矿和工程建筑领域的掘进机性能优化

附录 A 面向采矿和工程建筑领域的掘进机性能优化 1994年 4月 18日至 21日在内华达州拉斯维加斯举行先进钻井技术研究所 ( 13届年度技术会议论文 贾马尔 罗斯塔米， 地球力学研究所，科罗拉多矿业学院，科罗拉多州 80401 摘要 本文将讨论掘进机的性能和相关参数及其对生产和生产率的影响。在这些影响掘进机性能的参数中，最重要的是对截割头设计参数，它可以优化到某一特定的要求状态。在优化设计中，程序和所采用的方法是重复试验。本文也介绍了一种这类的已经开发并实现的计算机程序。 导言 掘进机是最灵活的，因此 ，作为最常见的机械化挖土机，利用在建造隧道或开发和生产在地下矿井中。这些机器是非常灵活，而且可以挖掘的各种大小，形状和类型的开口。从安装的观点上看，即时存取的支撑面就能对他们有非常有利的支持。此外，他们较少资本密集，比其他大多数机械化设备，掘进机由此可以具有了有利的经济性好的优势。不过，运营商也察觉到，掘进机在切削阻力和磨料的岩层的局限性，限制了这些机器在采矿和民间地下施工的广泛应用。一般来说，岩石的形成与一无侧限抗压强度在超过 100 兆帕斯卡(15000 是被视为不适合开挖掘进机 ，除非它是高度节 或裂缝。这个限额，反映了在对部分机刀具在挖掘时遇到的阻力和磨料岩层接触的岩石，缺乏刚度，以及作为过分较高的点成本和低产量的利率。 不过掘进机，以温和的阻力力和非适度软磨料岩中普遍使用。他们所面对的问题，就是要克服的岩石强度和耐磨性，他们可以削减。在为了改善掘进机的切削能力，过去超过20 年对钻头和截割头设计已进行了广泛的研究。这些研究结果表明，钻头必须实现深穿透，让有效率的切割，高生产，避免过度有点磨损。但是，更深的截割，需要在截割头部增大强度，这就需要高截割电机功率和高的抗变形能力。因此，在最近几年，具有较 高的切割功率和刚度的重型硬岩机器由制造商开发并引入市场。表现一台机器与某一特定重量和安装截割头的功率匹配的参数是 高度依赖于截割头的设计和钻头的安装分配。改进牙轮钻头保证良好的截割头力平衡可以产生高得多的生产利率，减小由于截割头的振动引起的生产率的下降。本文介绍了地球力学研究所电磁干扰 (科罗拉多矿业学院 (项研究的结果表现在的对截割头设计参数和使用的方法来优化头设计，以尽量减少头部震动，并获得最大限度地生产率。 背景 影响掘进机的生产率和截割成本的几个参数，包括： 岩石参数，如岩石的压缩 和拉伸强度，磨蚀矿物含量 (即石英 )的抗拉强度、百分比，岩石结构 整体岩体分类和支持的要求。 和矩阵式和硬度，存在面向力学性能的矿物复合材料，和弹性的行为岩石材料。 地面条件，例如程度联接 (综合状况、地下水、断层带、混杂的面孔情况和整体岩石大量分类和支持需要。 机器规格，包括机器重量， 截割力， 切截速度，摆动速度，最大的可掘高度、截割头类型 (轴向或横向 )，钻头的类型、大小和其他特征、钻头的在截割头上的 数量和安装方式位置。 操作参数，如形状，大小，长度和开放，倾斜度，轮流或交叉削减，连续的切割和扩大行动中，有多少岩层在隧道的道路，地面支持的方法，和工作时间表的意义人数轮班每天天内，每星期的百分比等。 综合这些参数确定了某一特定机在某一个岩石参数和地面条件下的生产能力。在 1994年尼尔的会议上，已经给出了大量的充分考虑影响掘进机的性能和生产率的参数估计方法。在这些参数，也有一些无法控制。它们包括岩石和地面条件，以及一些运行参数。因此，当一条隧道或巷道确定的条件下，具体到某一项目，唯一的可控参数就是掘进机参数。一般情况下，第一步是要确定是否掘进机是可行的和可以工作一个合理的生产速度下的特定情况。第二步 是选择工人阶级和一般规格的机器加以考虑为就业之间的机器可以在市场上。第三步是符合目前各种特色的岩石和地面的条件，另一方面，以尽量提高其产出率。这可以通过深入研究，设计参数和优化设计的实践来实现。另外，对于现有的机器已经工作在各站上的，它始终是有利于进行这种研究，以增加生产力并降低开挖成本。 在掘进机的运用中，有许多研究致力于，可能的参数修改，实现更高的产出率。此外，掘进机截割的岩石强度极限为在该行业里需要移动作业的硬岩掘进机面临的问题。以下是一些解决为提高截割头的生产力和扩大他们的经济适用于硬岩的办法。 当运 用巷道掘进机时，有关于达到更高的生产率的可能的修改做了许多研究。 并且，巷道掘进机的岩石力量极限经常挑战归结于需要对于在产业的一种流动硬岩挖掘机。 下列是为增加巷道掘进机生产力提议的有些解答并且扩大他们对硬岩的经济适用性： 应整体截割头截齿的力； 钻头设计和材料 首要的考虑，在钻头设计涉及到的限制是，在与岩石作用时，钻头的形状和岩石力学性能影响着施加在岩石上的力量。显然，为实现更深的截割，需要较高的切削力，可作用于对钻头的是有限制的最高力量。而 在切割石英丰富的岩石类型中，截齿材料必须具有一定的耐磨和韧性，以承受冲击载荷。使用碳化钨与钴合金，部分解决了这个问题和改进截齿的寿命。此外，新的钎焊及表面处理技术，以改善耐磨性截齿桑克斯增强截齿的耐磨性。在条款位形状，指向攻击 (圆锥 )截割头，虽然他们是不是自封的激化，有时声称，增加了截齿的寿命和工作效率，由于他们的能力，保持一定的配置文件一个较长时期内的时间。使用这些位几乎已成为标准的重型掘进机并改善他们的工作效率。应用切割技术对掘进机可以改善刀具的寿命，使这些机器攻击更硬的岩石。 一微型切割机最近已在科罗 拉多矿业学院研制成功。该截齿的平均直径是 米 (5 英寸 )，安装一个 5 厘米 (2 英寸 )的悬臂式轴用滚针轴承。截割同样的深度，微型截齿上的截割力要比常规的盘型刀盘上的截割力要小得多。微型截割头是重量轻，遇到问题，能够很容易处理和更换，而且钻头在掘进机截割头上大约需要同一空间大小作为为标准。这些独特的功能，采用微型截齿是一个非常有前途的解决适用范围扩大至截割头能开挖困难的岩层的方案。 机械设计 机械设计，主要是根据机械的性能和作用于截割头上的截割力。机器的质量和整体几何尺寸决定可用于截割头上力的大小和最大力的 方向。在本质上，该掘进机的能力，性能参数 (即掘进机掘进能力，截割电机，升降能力，后支撑力 )是取决于机器的质量。较大的机器质量是通常与较大的截割头想匹配，以便为反应掘进需要实现的较高的生产率。其中的限制因素，传统上一直是掘进机掘进轴向力或以截割力的大小来确定机型。这股力量通常是由牵引的努力抓取工具产生的，这是被普遍认为缺乏效率的，尤其是运用在软，湿的楼层。安装伸缩臂对新一代的截割头 ，在相当大的程度上，缓解这个问题。伸缩臂提供推进力，而机器仍然平稳。这使得更好地利用机器的质量和摩擦之间的履带式和地面。安装了一 套插孔，以增加掘进的能力和较高的安装截割头的功率，也有助于改善截割头的切削能力 。偶尔，面积较大航道已被用来增加截割电机功率，并允许更好地利用机器大规模增加生产率，而在机械液压系统不需要任何改变。 截割头设计 两种类型的掘进机，撷取 (横向 )和铣削 (在网上或轴流式 )截割头，撷取类型更适合于坚硬的岩石切割。这是由此产生的阻力是沿着煤层壁的方向， (而不是垂直 )，在掘进过程更有效地削减阻力，更好地利用机器的质量来产生更有效的摩擦力。对两种类型的截割头型式，进行优化设计是必要的，以配合岩石切割的特点和最大限度地生产率 。设计参数包括截齿间隔，截齿位置，其倾斜角度，斜的角度。间距之间的截线必须通过分析岩石破坏行为和预期的深度渗透来进行优化。此外，截割头的布局必须平衡，通过控制刀具的位置，以创造一个更合适的 (队 )的分布，以尽量减少震动。这个问题是至关重要的，因为增加的间距程度不足会影响刀具数量和潜在的更高的震动。头部振动可产生不利影响的生产速度，机器的寿命和维修。因此，通过优化截割头设计，取得了良好的平衡截齿的分布数据和减少振动，可以提高的表现，给定机器和最主要的优化目标，目前所讨论的文件在以下各节。 截割头的平衡和振动 该 截割头振动是指以整体的力量变化对头部造成的之间的互动，钻头和岩石。掘进的变异是一个功能的双边投资协定的数量在接触的岩石，空间位置位在三维空间中，和深度的渗透率为每截齿。结合这些参数确定的总的力量作用于截割头在任何特定的时间点。很明显，自截割头是旋转，时间转化为空间和转动的立场。在其他换言之，由此产生的力量对截割头依赖于数量和分布双边投资条约的任何角节的截割头在计划查看 (见图 1)。同时，贯穿深度为每截齿取决于其地位与尊重，以切割面。这是，双边投资条约可能再减一红新月会形成路径在岩石或削减在不断渗透，视乎有关的 运作模式和钻头位置 (图 2 ) 。 该掘进的要求，切割在某一个深度与一个固定的间距不同的截齿渗透到横向的岩石。这种变化的结果，从压力建立在位元提示和图 1。假定鉴于该截割头位布局模式图 2 。形状伐区的钻头在各 ( 115 角间距 )。切割模式 (后海基姆奥卢 1991 年 )。随后释放压力，因此，掘进由于切屑形成。不过，估计平均切削力可发展为切削在某一个深度的渗透，如下： bn 其中，磅 ) 帕 ) a， 切削试验中获得。 这是在实验室规模下，充分切削条件下，推导出曲线拟合的力量获得的数据线切割测试的表现出的截割力的估算公式 (即图 3)。牵引力，可以从正常的阻力使用风阻系数，界定为引力以正常的力的比例中估计。这个系数通常是 间不同数，具体多少依赖于岩石类型和钻头的截深。通常运行直接测力试验，风阻系数是衡量随着切削力。因此，掘进的要求，切割在某一个深度的渗透率估计，并用于截割头总截割力和功耗估计，以及平衡。 对于给定机，优化设计一开始就选择一个适当的位间距，以最大限度地切削效率在 一个特定的岩石类型。最有效的切割是当具体的能源，界定为能源需要削减一单位体积的岩石，是减至最低。它已被证明是由广泛的实验室和实地研究认为，最低具体的能源发生在一系列的间距，以渗透率 (/)之间的比例 2攻击刀。另一种做法，这也被用来定义最优间距是外逃的角度岩石。这种做法是广泛使用的掘进机制造商和在本质上是另一种方式来决定最佳的 S/P 比值。在此方法中，行距之间的双边投资条约的决心，从理想的深度渗透和突破的角度来看，这是之间的夹角火山口表面所造成的破碎和切屑形成下位。双方最佳的 S/P 比值，或突破的角度所控制的 脆性岩石和最准确地确定实际的切削试验。 使用钻头截线间隔和截割头的钻头布局，在截面可以通过确定的地位和倾斜角度的双边投资条约。倾斜的角度，对每比特是选定等，这是垂直于切削表面 (或减少 ) 。在这个阶段，双边投资协定的数量需要在头部，和一般尺寸的刀具头 (长度和直径 )所指明的。下一步是要确定角的定位比特，以实现最佳的位分布，并尽量减少头部震动。由于复杂和繁琐的运作所涉及的这些计算，这是可以完成的最好的计算机模拟。图 3 。估计和衡量的正常截割力。 计算机模拟优化截割头 一个计算机程序研制的截齿对截割头 ，以及模拟切 削加工过程的设计主管。这一程序的能力，以确定的立场，位在三维空间中考虑到岩石性质，截割头几何形状和深度的分布场。该程序检查牙轮钻头的相互作用，并确定了双边投资协定的数量在与岩石在任何特定的旋转角度的头部。实际的渗透每一个人的一点是在与岩石的计算方法和部队的要求，对于给定深度的渗透率估计。估计势力，然后投射到三个相互垂直的轴 (直角坐标系 )成立于截割头。预计势力概括起来估计总力和力矩的要求，头部在每个运作模式，即掘进和电弧 (回转或剪切 )模式。计算切削参数 (如掘进尺度或牵引力，扭矩和功率 ) ，然后记录每个位置的头 部，因为它旋转 360 与理想的角增量。表 1 是一个例子，该程序的输出旋转一定的杆头设计， 360 ，在 2 增薪点。此外，一些统计数据操纵的数据是这样做的概要框，以评估的平均，最高，最低及截力 /功率的要求，以及在每个模式的切割的百分比的变化。该百分比的变异是指的比例标准偏差，以平均参数的值。结果切削过程仿真也可以策划对旋转角度和用于振动分析的头部 (图 4 ) 。 表 1 程序输出为模拟截割头轮流在 2 增量 该掘进的变化及相关的图表可以用来作为对截割头评估其规模和频率的振动的一个指标。这意味着，轴向力 /力矩的要求，可以 查明和钻头要消除这些峰值力，或至少尝试，以减轻他们的大小，以一系列内部几个百分点的平均水平。此外，这些变化是评估，以改善截割头的设计，使切削过程变得顺畅与最低限度的变化。为此，双边截齿线上截齿的数量在联络必须保持几乎相同，作为截割头旋转，这意味着整个该截割头上改变角间距分配比特均匀的任何切割的一段。 根据截齿线间截齿的距离相等，周围或有角间距的概念的截齿分派的一种算法被用于达到截齿和截割力在截割头上能够均匀分布 (1991)。 这种算法得出能够确定截齿的角位在截割头所有特定部分的上维护 截齿的一个相对地恒定的常数。一旦截齿的数量从选择的间距和开始的数量被计算有角安置位控制在截割头的截齿线上。 图 5 是位一双重跟踪的分派图，四的例子顶头的开始 (图 1 显示同一个头的平面图 )。 必须为双重或三倍跟踪修改分派算法，并且开始 (2， 3， 4 的数量。 )。 实质上，算法定义了一位位置角 (在一套位， 2 跟踪的双的和 3 跟踪的三倍的等等 )从在同样的早先位开始。 与截割头主视图和侧视图一起的截齿分派图如生产由根据一个实时依据的节目，当有角间距价值被选择时，为设计师提供优秀直观教具。这些图画的好处是某些在设计和 位分派的问题可以立刻辩认和做的适当的调整消灭他们。 这些问题例如是的位编组在线或太在制造的接近的导致的潜在的困难可以欣然辩认和排除的被采取的有角间距。 一个好例子使用导致位再分组在线的有角间距 15， 30 或者 45。 同样，非常小间距 (或价值近 180 在一个双重跟踪的样式 )可能导致在位块之间的物理干涉。 开始选择几个随机的价值观和看的模式，在分配图和在主视图上看，通过程序，以找到最佳的角间距，截齿的分配。下一步是要使用的角度和运行截割头轮换程序，在一个理想的掘进环境和穿透深度。结果这个程式可以用来验证的类型 和严重程度的变化，设计截割头的布局。一个角接近前值，然后选定和结果切削仿真相比，一是观察是否改变，改善了振动特性的头部。一个有系统使用的劫持分配程序与监测节目指南，以确定最优的角间距结果在最低百分比内的变化。此外，振动图 (图 4)所产生的仿真程序可以观察发现任何异常的高山顶的力量。它必须图 5 。一个例子比特分配图 115 一提的是，最小的变化，可能会出现多次在一个介乎 0 至 180 ，在这种情况下的最低值的差异，可被视为整体优化，由于钻头座干扰或极端高山峰已经消除。相结合的比特分配算法，振动仿真，性能监测在一个程序中 提供了一个最终的优化工具，截割头的设计部分，面对机器，尤其是截割头的设计。 结论 结果，广泛的实验室测试和计算机模拟表明，通过优化截割头的设计，可以知道截割头可以大大改善，以达到更高的生产利率更低的比特成本。影响机器性能的各参数之中，截割头的设计是最容易控制和优化。这可以通过评价岩石切割的行为和相匹配的截割头设计的岩石和地面条件。最佳截齿线间距为某一特定值，在一定的岩石类型才能确定准确全面的实验室切削试验。截割头布局具有最佳角间距，才能确定使用的截齿分配和切削仿真程序。应用这些最佳值在截割头的设计将可确保截 割头产出率的最大化。 参考文献 1991， “ & 257 J.， L.， 1994， of 27 1994. ， ， ， 1993a .， ， 1993b SN 附录 B 3 8 1994. 0401 . . 1010 10th 0401 on is be a in is A of is in in of or in of to is a of in of in a an in 00 15， 000 is to be by it is or of on of to in as as in of or in to to is to of In to of on of to on to to by in of a