（工程力学专业论文）悬臂式掘进机截割机构远程监测系统研究.pdf

摘要 摘要 随着掘进机使用范围的日益增大，对其截割能力的要求也不断提高。截割机 构是掘进机的重要组成部分，对截割能力的提高起了重要作用。在实际使用中由 于截割机构截割煤岩时，将产生剧烈振动，严重影响工作效率和稳定性，因此对 截割机构的工作状态、故障诊断以及截割机构的优化设计变得尤为重要。本文较 系统地对掘进机截割机构工作原理以及远程监测进行了分析研究，主要包括以下 内容： 首先，概述了国内外掘进机监测系统的发展情况，悬臂式掘进机的组成以及 截割机构工作原理；分析了截割机构运动；确定了监测参数和监测系统的组成。 其次，介绍了虚拟仪器的发展历史；虚拟仪器硬件、软件系统以及构成方式； 比较了传统仪器和虚拟仪器优缺点；总结了虚拟仪器开发平台l a b v i e w 的概念 及其发展历史；确定了l a b v i e w 作为系统的开发软件。 第三，研究了远程监测系统硬件组成以及监测信号；论述了传感器的基本概 念、分类以及特性等；选择了合适的传感器以及地面设备；设计了监测系统分站 组成。 最后，研究了远程监测系统软件设计；设计了软件系统的六大模块，即数据 采集模块、参数设置模块、监测显示模块、比较报警模块、数据库模块、用户管 理模块；利用l a b v i e w 软件的w e b 服务器的功能实现了远程传输；进行了计算 机仿真实验以及程序进行了打包的研究。 上述分析研究，对提高掘进机截割机构工作效率和对掘进机截割机构进一步 的优化设计提供了很好的参考。 图【5 l 】表【3 】参 4 9 】 关键词：截割机构；远程监测系统；虚拟仪器：l a b v i e w ：w e b 服务器 分类号：t p 2 7 7 ； 摘要 a b s 仃a c t a l o n g 、i t l li n c r e a s i n ge n l a r g e m e n to fr o a d l a e a d e r sa p p l i c a t i o n , p e o p l ep u tf o r w a r d m o r er e q u e s tt oi t sc u t t i n ga b i l i t y c u t t i n gm e c h a n i s mi st h ei m p o r t a n tc o m p o n e n to f r o a d h e a d e ra n di st h ei m p o r t a n tr o l ei nc u t t i n ga b i l i t y d u r i n gt h ec u t t i n gm e c h a n i s m w o r k i n g ，t h eh a r d v i b r a t i o ni m p a c t st h ew o r k i n ge f f i c i e n c ya n dt h es t a b i l i t yv e r y s e r i o u s s ot h ea c t i v es t a t u so fc u t t i n gm e c h a n i s m ，f a i l u r ed i a g n o s i sa n dc u t t i n g m e c h a n i s mo p t i m i z a t i o ni sb e c o m i n gi m p o r t a n t t h ep r i n c i p l ea n dr e m o t em o n i t o r i n g a b o u tc u t t i n gm e c h a n i s mw e r ea n a l y t i c a ls t u d i e di nt h i sa r t i c l e t h ef o l l o w i n ga r ct h e m a i nc o n t e n t s ： f i r s t , t h ed e v e l o p m e n to fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fr o a d h e a d e ra n db o o m - t y p e r o a d h e a d e r sp r i n c i p l eo fw o r ka th o m ea n da b r o a dw e r eo u t l i n e di nt h i sa r t i c l e t h e c u t t i n gm e c h a n i s mm o v e m e n tw a sa n a l y z e d t h em o n i t o rp a r a m e t e ra n do b s e r v a t i o n s y s t e m sc o m p o s i t i o nw e r ed e t e r m i n e d t h e n , t h eh y p o t h e s i z e di n s t r u m e n t sh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n ta n dh y p o t h e s i z e d i n s t r u m e n th a r d w a r ea n dt h es o f t w a r es y s t e mc o n s t i t u t i o na n dt h ec o n s t i t u t i o nw a y w e r ei n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e t h et r a d i t i o n a li n s t r u m e n ta n dh y p o t h e s i z e di n s t r u m e n t w e r ec o m p a r e di ng o o da n db a dp o i n t s t h eh y p o t h e s i z e di n s t r u m e n tt od e v e l o p p l a t f o r ml a b v i e wt h ec o n c e p ta n dt h eh i s t o r i c a ld e v e l o p m e n tw e r es u m m a r i z e d l a b v l e ww a sd e t e r m i n e da st h es y s t e m sd e v e l o p m e n ts o t t w a r e a n dt h e n , t h el o n g - d i s t a n c eo b s e r v a t i o ns y s t e mh a r d w a r ec o m p o s i t i o na n dt h e m o n i t o rs i g n a lw e r es t u d i e d s e n s o r sb a s i cc o n c e p t , t h ec l a s s i f i c a t i o n a sw e l l 勰 c h a r a c t e r i s t i cw e r es t a t e d t h ea p p r o p r i a t e $ g n s o ra n dt h ea b o v e - g r o u n de q u i p m e n t w e r ec h o s e n t h eo b s e r v a t i o ns y s t e ms u b s t a t i o nc o m p o s i t i o nw a sd e s i g n e d 。f i n a l l y , r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e ms o f td e s i g nw a ss t u d i e d t h es o f t w a r es y s t e m s s i xb i gm o d u l e sw a sd e s i g n e d , w h i c ha r ed a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e ，p a r a m e t e r e s t a b l i s h m e n tm o d u l e ，m o n i t o rd i s p l a ym o d u l e ，c o m p a r i s o nw a r n i n gm o d u l e ，d a t a b a s e m o d u l e ，u s e ra d m i n i s t r a t i o nm o d u l e t h el o n g - d i s t a n c et r a n s m i s s i o nw a sr e a l i z e db y u s m gl a b v i e ws o f t w a r e sw e b c o m p u t e rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n dt h ep a c k r e s e a r c ha b o u tp r o c e d u r ew e r ec a r r i e do ni nt h ea r t i c l e a c c o r d i n gt oa n a l y t i c a ls t u d y , i ti s av e r yg o o dr e f e r e n c et or a i s et h ec u t t i n g m e c h a n i s mo fr o a d h e a d e r sw o r k i n ge f f i c i e n c ya n dt h em e c h a n i c a lb o r i n gm a c h i n e ! i i 安徽理工大学硕士学位论文 c u t t i n go r g a n i z a t i o nf u r t h e ro p t i m i z a t i o nd e s i g n f i g u r e 【51 】t a b l e 【3 】r e f e r e n c e 【4 9 】 k e y w o r d s ：c u t t i n gm e c h a n i s m ，r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，h y p o t h e s i z e d i n s t r u m e n t ，la _ b v i e w ，w e bs e r v e r c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：1 1 p 2 7 7 i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徼理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名：虽盟丑曼 日期：趁1 年j 月坠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徼堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼理工太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：关咖目碣 撇名：形易浒 签字日期：加。7 年占月p 日 签字魄垆6 月彦日 引言 引言 2 l 世纪，是人类全面进入信息电子化的时代，远程监测技术得到了迅速发展， 这也为许多大型机械设备的远程监测系统奠定了基础。 现代矿井巷道掘进过程中，纯煤巷的开掘数量逐渐减少，更多的是半煤岩巷 的掘进，有时甚至是岩巷。因此，要求掘进设备在工作中能够适应煤岩硬度的变 化。掘进机工作时煤岩硬度变化，这就加剧了巷道掘进的难度。掘进机的工作环 境恶劣，工况复杂且掘进机本身设计复杂，这就加剧了掘进机的故障率。在实际 使用中，掘进机的截割机构最容易出现故障。 为了保证掘进机的正常工作，降低其故障率，因此迫切需要对其截割机构在 工作过程中进行监测。论文通过对掘进机的发展进行阐述，提出利用l a b v i e w 软件对截割机构建立远程监测系统。对掘进机的截割机构进行的远程监测能够在 早期发现机械故障，快速排除故障，缩短停机时间，提高生产效率和机器的寿命。 这对于研究和改进悬臂式掘进机具有重要的参考价值。 1 绪论 1绪论 1 1 课题研究背景 2 1 世纪煤矿开采技术最为显著的特点，是计算机技术的全面应用和其功能的 最大发挥，并将主宰矿山。计算机技术不仅将充实现有技术，而且由于它能够使 规划、信息、控制和监测等不同部门融为一体，从而使煤矿整个系统发生根本性 的变化。这种变化将使计算机在煤矿的一统天下，即所谓的煤矿“整体监控系统 i l p 。为了实现这一要求就必须发展覆盖面更广的监测监控系统。 随着电力电子技术、计算机技术和传感器技术的发展，为采掘机械实现计算机控 制打下了基础。掘进机工作环境恶劣，而其结构又非常复杂，在工作过程中因机 器在空间位置不够稳定造成停机达2 6 1 2 1 ，电机崩溃造成停机占2 0 【2 】。这些都 严重降低了机器的生产率和经济效益。振动产生的冲击载荷，破坏零部件的强度， 改变正常的截线间距、截深等参数，影响机器的寿命和工作可靠性。掘进机在采 掘设备中占有重要地位，为了实现掘进机自动化以及工况检测和故障诊断，需要 建立掘进机的远程监测系统。这也为实现煤炭生产的综合自动化奠定良好的基础。 1 2 课题研究现状 1 2 1 国外远程监测方面 1 9 9 7 年1 月，斯坦福大学和麻省理工学院联合主办了首届基于i n t e m e t 的工 业远程诊断研讨会。会议主要讨论了有关远程诊断系统开放式体系、诊断信息规 程、传输协议以及对用户的合法限制。会议确定由斯坦福大学和麻省理工学院合 作开发基于i n t e m e t 的下一代远程诊断示范系统。该项工作得到了制造业、计算机 业和仪器仪表业的多家大公司的支持和合作，并很快建立了一个限于合作者的远 程诊断示范体系t e s t b e d 。t e s t b e d 采用嵌入式w e b 组网，用实时j a v a 和b a y e s i a nn e t 实现远程信息交换和诊断推理【2 1 。美国德克萨斯的m o n i c o 公司开发了发动机的远程 监控和i n t e m e t 信息服务系统。该系统中的客户软件m o n i t r e n d 使技术人员可以通过 卫星或局域网实时监控不断变化的数据及运行趋势。通过公司的i n t e m e t 服务，客户 可在自己的机器上查看发动机性能的报告【3 1 。 监测技术的发展为故障诊断提供了依据。最早开展故障诊断技术研究的是美 国、日本、英国、瑞典、挪威、丹麦等国紧随其后。美国1 9 6 1 年开始执行阿波罗 计划以后出现了一系列的设备故障，1 9 7 6 年，美国在宇航局的倡导下，成立了机械 3 - 安徽理工大学硕士学位论文 故障预防小组，并自8 0 年代以来开发了一系列故障诊断系统，其应用领域涉及汽 车、电气设备、航空器、制造系统、发电机组、炼钢设备等，如s c i e n t i f i c - a l t l a n t a 公司的m 6 0 0 0 c h a 脚系统、b e n t l y 公司的a d r e 系统和e n t e c k 公司的p m 系统、g e 公司的内燃机故障诊断系统d e l t a 等【4 】。其他国家在设备诊断技术方 面也有很大发展，如英国在6 0 年代末7 0 年代初，以c o l l a c o t tr a 为首的英国机械 保健中- 已, ( u k m e c h a n i c a lh e a l t hm o n i t o r i n gc e n t e r ) 开始诊断技术的开发研刭5 1 。在 1 9 8 2 年创立了沃福森工业维修公司，开展有关的研究和咨询工作：芬兰开发出新 型自动磨粒监测与诊断系统，并应用于船用柴油机的液压系统；德国亚深工业大 学8 0 年代中期推出用于柔性制造系统的柔性监控系统；意大利电器委员会( e n e l ) 研制的“现代振动监测系统( s m a v ) ；日本机械故障诊断技术在某些民用工 业，如钢铁、化工、铁路等部门发展很快，日立公司推出了核反应堆诊断管理系 统，三菱公司研制了铁路机车诊断系统、机械状态监控系纠们。 在掘进机方面，德国艾柯夫公司研制出微机控制轮廓和导向健康监测系统。 其特点是用棱柱水晶体将激光束分裂为两个互相垂直面，然后利用机上接收器的 三条摄相晶体管线检测6 0 0 m m 宽的激光束面，将信号输入计算机进行处理和控 制。该系统已用于e t l 6 0 和e t l l 0 掘进机上。奥地利阿尔卑斯尼公司研制出a m c s 断面轮廓与方向控制系统。它采用光电传感器和逻辑电路，利用三维比例显示， 显示器基本上是一台按比例缩小的模型掘进机，悬臂式截割头在巷道中的位置显 示，在屏幕上相应同步跟踪动作，当切割头截齿接触到模拟巷道断面边缘时发出 相应信号，然后有人工操作修正。水平和垂直偏斜也可以通过人工纠正。已在该 公司a m 7 5 型和a m 6 5 型掘进机上使用。日本三井三池公司研究了切割功率自动 调节系统。美国矿业局和卡内基大学合作，移植机器人技术研制有视觉和某种智 能的导向系统，应用到掘进机上1 7 j 。 1 2 2 国内远程监测方面 国内一些高校也对这方面进行了研究，清华大学以大型电站设备为对象，开展 了远程在线监测和诊断研究；同济大学在中德合作项目的资助下，开展了制造企业 远程服务系统的研究；华中理工大学提出了基于i n t e m e t 的远程故障诊断的相关理 论。天津大学开展了轴承和齿轮的状态监测研究。华中理工大学和哈尔滨工业大 学开展了汽车发动机和汽轮机状态监测和诊断系统【8 】。在设备状态监测与故障诊断 系统方面，投入运行的主要有哈尔滨工业大学和东方汽轮机厂联合开发的微计算 机化旋转机械状态监测故障诊断装置( m m m d - 3 ) ，西安交通大学的高速旋转机械 4 1 绪论 状态监测与故障诊断系统( 1 m 2 0 ) 2 0 0 m w 发电机组状态监测与故障诊断系统 ( c m d s g 2 0 0 0 ) 和重堆四机组状态检测和故障诊断网络系统( m d s 2 ) ，哈尔滨电工 仪表研究所和清华大学等单位联合研制的2 0 0 m w 汽轮发电机组状态监测分析及故 障诊断系统( z h x 1 0 ) ，华中理工大学的汽轮发电机组诊断专家系( d e s t ) 、浙江大 学的工业汽轮机状态监测系统( t t s 1 ) ，西安热工研究院的汽轮发电机组状态监测 与诊断系统( z j z - 1 ) ，上海发电成套设备设计研究所的旋转机械振动监测与诊断装 置( t g d 2 ) ，北京英华达电力工程有限公司的汽轮机振动测量分析系统( e n 6 0 0 ) 1 9 】 等。 在掘进机方面国内研究的不多，中国矿业大学的吴淼，王建军，黄民等对a m 5 0 型掘进机进行了振动测试及信号分析【l o 】。宁仲良，张士勇等对悬臂式掘进机巷道自 动成形控制初步探索【1 1 1 。在国内关于掘进机远程监测方面的应用不太多，但是在 煤矿监控方面的应用还是比较多。我国自行设计的第一套煤矿监控系统是煤炭科 学院常州自动化研究所研制的k j l 系统。1 9 8 4 年，煤炭部从德国f + h 公司引进一套 t f 2 0 0 ，装备了兖州兴隆庄矿，并由重庆煤矿安全仪器厂引进其制造技术，由此不 少矿井装备了t f 2 0 0 系统。2 0 世纪8 0 年代初，煤炭部组织了对国外煤矿监测技术进 行大规模考察和引进的工作，大大促进了国内监测技术的发展。2 0 世纪9 0 年代以 来，我国紧跟世界监控监测潮流，研制了开发了一批具有世界先进水平的监控系 统。如北京县道新技术研究所和抚顺安全仪器厂联合开发的k j 6 6 系统、煤科院重 庆分院的k j 9 0 系统、山海嘉利矿山电子公司的k j 9 2 系统、煤科总院常州自动化研 究所的9 5 系统掣1 1 。这些系统的共同特点：测控分站的智力水平进一步提高；具 有网络连接功能；系统软件采用w i n d o w s 操作系统。 1 3 课题研究目的及意义 通过对悬臂式掘进机截割机构工作原理和工作机构的研究，提出了建立远程 监控系统设想。根据对掘进机截割机构工况研究确定监测对象，利用传感器、工 控机以及l a b v i e v 虚拟仪器，建立悬臂式掘进机截割机构的远程监测系统。 建立悬臂式掘进机远程监测系统，达到减少停机检修的损失，实现在早期发 现机械故障，快速排除故障，提高生产效率和机器的寿命，也为以后掘进机的设 计提供重要的依据。这样对提高掘进机切割性能、对岩石的适应性、工作性能、 整机寿命和改善工作环境，提高工作效率具有重要意义。这也是掘进机机电一体 化发展趋势一个方向。建立掘进机运行状态的实时远程监测，有助于保障掘进机的 安全运行以及综合调度工作面生产，提高煤矿生产的自动化、信息化管理水平，并 5 安徽理一f 大学硕士学位论文 将为实现自动化无人工作面奠定基础。 1 4 课题研究内容 1 以e b h 1 2 0 型掘进机截割机构为研究对象，通过研究在实际使用中常见的 典型问题，分析并确定了监测参数。根据监测系统设计原则和要求，研究了远程 监测系统。 2 对传统仪器和虚拟仪器进行了比较研究，从而确定采用虚拟仪器作为监测 系统的开发技术，利用虚拟仪器开发平台l a b v i e w 作为监测系统开发软件。 3 研究确定掘进机截割机构的监测系统的硬件组成。根据传感器的选择原则 和监测参数，给系统选择合适的传感器。对监测系统中的分站进行设计，其中包 括：分站组成，选择采集卡。根据实际工作情况，选择合适的传输线路，并对地 面设备进行简单的说明。 4 掘进机截割机构的监测系统软件开发。软件系统的总体结构，主要包括六 大模块，即数据采集模块、参数设置模块、监测显示模块、比较报警模块、数据 库模块、用户管理模块。 1 5 本章小结 本章介绍了悬臂式掘进机截割机构远程监测系统课题研究的意义。分析了国 内外相关技术研究的现状，以及课题研究的背景。概述了建立远程监测系统的必 要性，介绍本论文研究的主要内容。 6 2 悬臂式掘进机概述 2 悬臂式掘进机概述 2 1悬臂式掘进机简介 2 1 1 掘进机概念 巷道掘进机是在地面以下开挖巷道、隧道或者涵洞的一种专用设备，分为全 断面与部分断面掘进机两大类。全断面掘进机主要是用于开凿水工涵洞和隧道， 如：盾构机，也可以用来掘进地下工程的岩石巷道；部分断面掘进机主要广泛应 用于隧道工程、矿业、铁路、煤炭生产等行业。 全断面掘进机，也称为连续作用式巷道掘进机 9 1 。其工作机构，由一个或数 个装有球形滚刀或截割刀具的圆盘以及锥形刀盘组成。在平行于工作面的平面内， 工作机构绕机器中心线旋转，对整个工作面同时进行截割，全断面掘进机驱动装 置的动力容量大，能在整个工作过程中连续破碎煤、岩石，所以生产能力很高， 并且由于破岩刀具能够合理分布在截割圆盘上，工作面压力比较均匀，同时其控 制系统相对简单，易于实现掘进机的自动控制。采用这种圆盘式工作机构的巷道 掘进机。只适用于掘进圆形、拱形断面的巷道，因此在长距离、大断面的硬岩隧 道施工中，全断面掘进机得到广泛应用，例如世界著名的英吉利海峡海底隧道就 是用1 1 台全断面掘进机完成的，我国秦岭西康铁路隧道也是用两台德国产 t b 8 8 0 e 全断面掘进机完成的【1 2 】。 部分断面掘进机根据工作机构的不同，分为截链式、圆盘铣削式和悬臂式。 其中悬臂式为部分断面掘进机的主要机型，悬臂掘进机又称自由断面掘进机，属 于单点截割。其优点：破岩功率相对集中于一点而不是整个断面，因此在同样驱 动功率下，可以截割更为坚硬的岩石；能够根据不同矿岩情况有选择地采掘，掘 进速度快，巷道成型好；集开挖、装渣和自动行走于一身，操纵方便，对复杂地 质条件适应性强，如：可以与锚杆、上梁等支护装备配用，还可以实现掘进与支 护的联合机械化作业：还具有连续掘进，无爆破振动，对围岩扰动小，延迟岩石 变形，减少超挖，节约衬砌费用，控制地面沉降( 地铁施工中) 等特点1 1 3 1 。悬臂 式掘进机的截割臂可以上下左右摆动，能截割任意断面形状的隧道，还可以自行 前进、倒退和转向，设备机动性好，而且同全断面掘进机相比，其造价相对低廉。 悬臂掘进机一般由截割头与悬臂构成的工作机构、蟹爪式装载机构、刮板与 皮带式运输及转载机构、履带行走机构、电机和液压的驱动与控制装置、以及相 应的辅助装置等五大部分组成1 1 4 1 。其截割机构分为纵轴式和横轴式：行走机构为 7 生徽理1 大学硕f ：学忙论立 履带式两种；装运机构为行星齿中间刮板输送机。通过截割义的旋转和悬臂的p 卜，左、打摆动束实现巷道的成形掘进。悬臂式掘进机结构组成如瑚1 所示。 1 截割机构2 装载机构3 行走机构4 运输机构5 驱动控制机构 图i 悬臂式掘进机基本结构组成 f i g it i a e b a s i cc o n s t r u c t i o n o f b o o m - t y p er o a d h e a d e r 悬臂式掘进机按截割头的布置方式不同，分为纵轴式与横轴式。纵轴式截割 头与悬臂同轴卸簧，截割头的形状为圆锥形或圆柱一圆锥形，横轴式截割头的轴 线与悬臂垂直，截割头形状为j 叹半球形。纵轴式截割头则多用于硬岩掘进横轴 式截割头一般用于软岩掘进。悬臂掘进机的掘进断面取决于悬臂的长度和摆度。 悬臂式掘进机的应用，大大加快了巷道掘进速度，改善了掘进工作面的作业与劳 动条件。掘进机的使用是建设高产、高效的机械化矿井，实现煤矿生产过程采掘 综合机械化的重大发展。因此，目l j i 1 世羿各e 要产煤国家都在大力发腱和推广应 用悬臂掘进机。 2l2 截割机构 在掘进机的组成中截割机构起着重要的作用。为了保证截害1 2 # d l 构的正常工作 实现对藏割机构的远程监测有必要对截割机构进行研究。悬臂掘进机截割机 构x 称 。作机构主要有截割头、悬臂、减速器、以及电动机构成i ”i 。它被布置在 掘进机的| j 甘部，是主要的工作机构。工作机构装在回转座上，可以与回转座一起 水平摆动，并能相对于固定在此座 的铰链作垂直摆动。l ：作机构的所有动作， 2 悬臂式掘进机概述 都由液压缸驱动。在整个截割过程中截割头是掘进机直接参加截割的部分，并且 起着重要的作用。其中截割头截割性能对掘进机的工作效率、可靠性和使用寿命， 以及截割的经济效益都有着直接的影响。因此需要对截割头进行动态监测。 目前，机械破碎仍是采煤的主要手段，作为采掘机械直接落煤的工具一截齿， 它在掘进机截割头中起着重要的作用。为了确定监测参数，有必要对其截割原理 1 6 1 进行研究。 截齿可分为两大类：一类为扁型截齿，另一类为镐形截齿。掘进机截割煤岩 的过程就是利用截割头上的截齿将机械作用力作用于煤岩体表面，使岩石块从岩 体上剥离下来的过程。下面以单个截齿截割煤岩为例，按照煤岩截割破坏特征， 把一次截割过程分为四个阶段：变形阶段、裂纹发生阶段、密实核形成阶段和块 体崩裂阶段。具体工作过程为：截割头截割煤岩时，截齿以截割速度向前运动， 在齿尖开始接触煤体的瞬间使煤产生弹性变形：截齿继续前进，与截齿接触的煤岩 产生很大的接触应力。由于煤是脆性物质，当接触应力超过某一极限值时，齿尖 的煤将被压碎成粉末而形成一个。密实核 ：截齿继续前进，“密实核 逐渐扩大， 而“密实核 内的煤粉因受到挤压而积聚能量，并将“密实核”四周的煤体压缩， 截齿的截割阻力也逐渐增大。当“密实核”扩大到图中所示的煤与截齿前端接触 点时，该处即发生小块剥落，“密实核 区域的煤粉因受到强烈压缩而高速喷出， 使积聚的能量突然释放，截割阻力也突然变小。煤粉在高速喷出时，与截齿前面 发生强烈摩擦，致使截齿上形成刀瘤，它黏附在齿尖上并与截齿一起运动，同时 对煤体产生楔入作用。齿尖前端不易受磨损的事实证明刀瘤是存在的。截齿继续 前进，“密实核一体积又扩大，截割阻力又增大，直到又发生小块剥落及煤粉喷出， 并使截割阻力下降。最后截齿继续运动时，“密实核 内产生足够大的压力，使煤 体产生剪切裂纹，该裂纹随截齿i 猗进而扩大到煤体表面，同时截割阻力达到最大 值。接着，煤块沿裂纹剥落，“密实核 也随之消失，截割阻力也降到最小。 2 1 3 截割机构运动分析 掘进机的工作状态由工况参数决定的，而工况参数与截割头的运动是紧密相 连的，为了能够准确地监测到掘进机工作状态，因此，有必要对截割头的运动进 行分析。横轴式掘进机截割头的外形主要有滚筒式和左右对称式的椭球形或半球 形几种，但以半球形为主1 1 7 j 。主要参数包括截割头直径，螺旋头数，围包角及安 装角等组成【墙】。截割臂有两种运动一种是上下运动，另一种左右摆动。它们的动 力来源都来自液压油缸。以横轴式掘进机为例进行运动规律及载荷分析【1 9 j 9 一 安徽理工人学硕士学位论文 1 切割臂摆动的速度分析 7 1 切割臂垂直摆动机构为摇块机构( 如图2 所示) ，主动件为活塞杆，液压油进 入油缸，推动活塞杆运动，带动切割臂垂直摆动。 图2 上下摆动示意图 f i g lt h es c h e m a t i cd r a w i n go fh i g ha n dl o ws w i n g i n g 1 ) 切割臂向上摆速度圪 吃= l 2 凸0 1 ( 2 - 1 ) ：旦y，-一40q(-0 1 2 一r 2 万 式中：l ，切割臂长度，n u n ； q 一液压系统额定流量，l m i l l ； d 一升降油缸内径，t o n i ； r 一一切割臂回转半径，即切割臂基座尺寸，r n n l ； v 油缸活塞速度，m r a i n ： q 一一切割臂向上摆动角速度。t a d s 2 ) 切割臂向下摆速度v d v d 2 l2 国2( 2 - 2 ) 吐= v 。瓜v ”= 4 0 q z t ( d 2 一d 2 ) 式中：v ”一一油缸活塞速度，m i i 血； d 一活塞杆直径，衄； 国2 切割臂向下摆动角速度正a d m i m 3 ) 切割臂水平摆动速度v ， 切割臂水平运动是由油缸活塞推动齿条与齿轮啮合，齿轮转动带动切割臂l ， 正反两个方向摆动如图2 所示，其大小由下式计算： v ，= l ，= 面8 q ( 2 - 3 ) 1 0 2 悬臂式掘进机概述 式中：l 3 一一切割臂水平摆动的长度，i n l i l ； q 齿轮回转角速度，r a d s ； q 液压系统额定流量，l m i n ： d 水平油缸内径，i l i t i ； d f 一齿轮分度圆直径，衄； 1 齿条2 活塞3 齿轮 图2 水平摆动示意图 f i 9 2t h es c h e m a t i cd r a w i n go fl e v e l 2 载荷分析 1 ) 切割臂的垂直升降力 切割臂所受的垂直升降力是由切割臂升降油缸产生，其大小与切割臂所处位 置有关，如图3 所示。 安徽理工大学硕士学位论文 l 升降力f ， 图3 垂直升降示意图 f i 9 3t h es c h e m a t i cd r a w i n go fv e r t i c a lf l u c t u a t i o n e = 燮号 幽 矗：尘坠竺坠 茸+ r 2 2 厶r c o s ( a + 口) 一l 研+ r 2 一删? 口= c o s 二_ 二 2 厶r 切割臂上升时油缸力 2 f o = 三。d 2 尸 切割臂下降时油缸力 2 = 鲁( d 2 一d 2 ) p 二 式中： 届升降油缸推力，r 。为一支油缸上升的推力；为一支油缸下降 时的推力： h _ _ 锻点c 至油缸垂直距离； w - 切割臂总重量； b 切割臂重心至铰点c 距离； 口切割臂垂直摆动角度； 口油缸缩到最短位置时( d a 。) ，切割臂基座与回转台盘行支座的夹 角： 厶，：，厶一一回转台、切割臂和升降油缸结构尺寸； 口角度变化范围如下： 1 2 2 悬臂式掘进机概述 ( 1 ) 当油缸活塞杆伸出长度为零时，秒零度。 ( 2 ) 当油缸活塞杆伸出最长时，0 角最大，由图3 中a c d a 可得下式 = 口鸲叫等 式中：厶为油缸活塞杆伸出最长时两端的铰点距离m m ； ( 3 ) 当切割臂处于水平位置时，为岛。 综上所述可算出曰处于0 。中任意位置时，上升和下降的e 值：当0 = 3 6 。 时，最大上升力为e - - 7 5 6 9k n ；当0 = 3 1 。时，切割臂最大下降力e 2 = 6 6 5 2k n 。 2 ) 水平摆动力 f h 是由水平油缸推动齿条与齿轮啮合而产生的力，其大小由油缸参数与齿轮 参数所决定。如图4 所示 计算公式： 由于 则 鬓鎏 一 卜 厂 吖一卜 )l p_ l巡 至支三! 、 、 i k ， 一 ， ，厂 i _ j j9 m 2 图4 水平力和掏槽力示意图 f i 9 4t h es c h e m a t i cd r a w i n go fh o r i z o n t a lf o r c ea n dc u t t i n gs t r e n g t h f p d 2 l f = f h ( d z e l 3 ) f p 。d f i - i 5 毒兹 1 3 ( 2 - 5 ) 安徽理工大学硕士学位论文 f p = 三d 2 p 式中：f p 水平油缸推力； p 油缸额定压力，m p a ； l ，齿轮中心距切割头回转轴距离，衄； d 。切割头平均直径5 3 6 r n m ( j l - 喷雾切割头) ； d ，一齿轮分度圆直径，衄；其余符号同前。 3 掏槽进给力r f e = 2 f = 等狮z 仁6 ， 式中：f m 一条履带进给力，k n ： n 行走电机功率，k w ； v l 掘进机行走速度，m m i r a r 。行走减速器效率0 9 2 ； r 2 履带传动效率0 8 5 ( 0 8 加9 ) 2 2 监测参数确定 本文以e b h 一1 2 0 型掘进机1 2 0 1 为例来进行远程监测。e b h 一1 2 0 型掘进机主要适 用于煤巷及半煤岩巷的掘进，也适合其它矿物类巷道的掘进、开采和工程隧道的 开掘。 1 结构特征： 1 ) 整机结构紧凑，机身高度低，后支撑面积大，使机器具有较好的稳定性。 2 ) 主机架为整体式，结构简单，刚性大，履带架、行走减速器的安装采用插装式， 装拆方便，连接强度高。 3 ) 切割减速器与电动机采用大截面矩形法兰连接，极大地提高了连接强度：切割 电机设计成箱体形结构，提高了整个悬臂的强度和抗冲击振动的能力。 4 ) 装载减速器采用了浮动密封，可有效地防止煤尘、水的浸入。 5 ) 外喷雾系统采用孔径2 m m 的引射喷雾，并将供水压力提高到3 m p a ，喷雾效果 好。 2 整机技术参数： 可掘巷道断面m 26 7 1 9 5 最大切割高度m 3 9 1 4 2 悬臂式掘进机概述 最大切割宽度m5 1 7 切割煤岩最大抗压强度m p a6 0 额定压力m p a 2 0 额定流量l m i n3 4 额定电压v6 6 0 1 1 4 0 3 截割机构技术参数： 型式横轴式 电机功率k w 1 2 0 电机转速 r m i n1 4 6 5 切割头直径衄 7 5 0 ( 6 7 6 ) 切割头转速 r m i n7 3 9 截齿形式镐形 截齿数量4 8 x 2 切割臂尺寸( 长x 宽x 高)衄 3 1 3 0 x 1 2 3 0 x 7 5 0 切割机构主要有切割头，切割减速器，电动机等组成。切割头为横轴式，每个 切割头上装4 8 个镐形截齿，切割头和切割减速器输出轴的连接采用胀套连接。切 割电机是1 2 0 k w 隔爆式水冷电机，切割臂升降由升降油缸控制。 4 在使用中出现的典型问题及原因： 1 ) 切割时发生闷车现象，也就是切割头不转动。主要原因是负载过大，电机堵转， 电机温度过高停转。 2 ) 切割臂振动过大，造成截齿的破损，以及零部件毁坏。主要原因为煤岩硬度变 化造成截割头主轴转速不稳定。 3 ) 切割臂水平摆动失灵，摆动速度太慢。切割臂抬起、下降失灵，下降速度过快 或者过慢。主要原因为单向阀失灵，溢流阀漏损，油缸漏损以及泵转向不对，或 损坏。 根据对e b h 一1 2 0 型掘进机截割机构的研究和在使用中出现的典型问题及原因 分析确定监测参数如表1 所示： 1 5 安徽理工大学硕+ 学位论文 表l 监测参数 t a b l e lm o n i t o rp a r a m e t e r 痞享 123 电机电流a电压v温度t 截割头主轴转速n 切割臂液控系单向阀压力溢流阀压力m p a油缸压力m p a 统 m p a 液压泵磺l 油温 2 3 系统整体设计 2 3 1 监测系统分类 随着计算机技术的发展，监测系统越来越广泛地应用到国民经济的各个领域， 如：电力调度的“四遥 系统，输油输气监测监控系统，矿山安全生产监测监控 系统等。 1 监测系统大体上可以下几类【2 l 】： 1 ) 人工监测系统： 该系统需要有经验的设备维护人员或工程技术人员，利用常规监测仪表或者 较复杂的分析仪器对设备进行人工巡检。根据自己的经验对设备的状态以及发展 趋势等做出判断。这种监测方式，只能对设备作一些简易的监测。 2 ) 单机式监测系统： 该系统主要由一台计算机来完成信号显示、信号处理、数据存储，如图5 所 示。这种系统集主要功能于一体，维护方便且投资较少。单机监测系统对监测信号 采集的实时性高，准确性高。由于采用单台微机，因此，系统所能监测的测点数目 有限，巡检周期长，系统的功能受到一定的限制。 图5 单机式监测系统 f i 9 5t h eo b s e r v a t i o ns y s t e mo fs i n g l e 1 6 2 悬臂式掘进机概述 3 ) 集中式监测系统： 该系统克服了单机式监测系统的测点数目有限的缺点，采用多个传感器可以 采集多个测点信号最后输入监测系统，如图6 所示。但是由于测点过多给采集系 统带来了过多的负担，造成了采集信号的实时性差，因此测点的多少是关系着该 系统的优劣。 图6 集中式监测系统 f i 9 6t h eo b s e r v a t i o ns y s t e mo f c e n t r a l 4 ) 分布式监测系统： 该系统综合了单机式和集中式系统的优点，采用多台微机通过传统的计算机 通信手段( 如r s - 2 3 2 ) 形成一个多测点总监测系统，如图7 所示。下位机主要用于 数据采集和信号的预处理，上位机负责信号的显示和数据的管理，上、下位机各司 其职，提高了系统的功能。由于采用分布式技术，系统相对复杂，技术难度大，且投 资较高。 图7 分布式监测系统 f i 9 7t h eo b s e r v a t i o ns y s t e mo f d i s t r i b u t i o n a l 5 ) 远程分布式监测系统： 该系统采用i n t e r n c t 和i n t r a n e t 技术，实施异地远程诊断，能充分利用更多的技 1 7 安徽理工大学硕士学位论文 术支持和数据共享，大大地提高了系统监测的准确性和实时性。为实现远程诊断打 下坚实的基础，也是今后设备在线监测系统的发展趋势。远程诊断系统是建立在 集中式或分布式监测系统的基础之上的，如果没有这种监测系统也就无法实施异 地的远程在线监测与故障诊断。因此本文设计的监测系统采用此类型。 2 3 2 设计原则及要求 1 可靠性 监测系统可靠性高，是系统设计最重要的原则。监测系统的研究设计，是为 了提高设备的可靠性，延长其使用寿命。因此系统设计时应努力加强每一部分的 可靠性，提高软件的质量，努力提高系统的可靠性。在保证系统使用条件下为了 提高可靠性，必须提高系统的抗干扰能力。 2 先进性 监测系统使用的元器件、传感器、执行器、控制方法等都应符合技术发展方 向，具有技术的先进性。在保证系统可靠性的基础上，使用先进的设备获得先进 完善的监测系统。 3 通用性 监测系统不需要任何改动或者只需要少的改动就能应用于其他方面，构成新 监测系统。因此系统设计时，一方面，考虑到我国国情，企业的资金及购买能力 相应的技术因素等，系统不可能一步到位：另一方面，考虑到电子技术的不断发展， 软件的升级换代等，系统在研制和设计时应当考虑到今后的扩展问题，这也是系 统开发者保证其技术发展有连贯性和一致性的需要。 4 合理性 监测系统中电路结构简单，软硬件功能匹配恰到好处，便于维修和安装等。 监测系统应达到功能强，成本低，性价比高等要求。硬件的配置与软件的操作应 当考虑用户的方便，满足用户的需求，系统的功能应能满足监测对象的需要。系 统安装在现场后应方便进行维护，模块的更换，系统的检查维护等应该十分方便， 便于操作。 5 设计要求： 1 ) 不要求分站间通信，采用分站到主站一条线。 2 ) 要求系统本质安全防爆。 3 ) 在传感器分散分布的情况下，通过与适当的复用方式配合，尽量减少传输电 缆