（机械设计及理论专业论文）ebz255型掘进机截割头截割性能研究.pdf

摘要 两要 论文的主要研究对象是e b z 2 5 5 型掘进机截割头，通过分析截割头各参数的分 布特性、截齿的运动学仿真和载荷的模拟，从而对e b z 2 5 5 型掘进机截割头的截割 性能进行分析。 论文首先简要介绍了国内外掘进机的发展概况，以及存在的问题，指出了本 文对截割头截割性能研究的意义。本文通过对截割头各个分布参数的深入研究， 利用s o l i d w o r k s 建立了截割头的三维模型。论文对在不同工况条件下截齿的运动 轨迹、速度和加速度方程建立了数学模型，同时对截齿、截割头和工作机构在截 割煤岩时的载荷状况进行了分析并建立数学模型，利用m a t l a b 数值仿真软件对截 齿的运动轨迹、速度和加速度的计算机仿真，揭示了在截割过程中截割部的运动 参数对截齿截割过程中的影响规律，对以后探讨截割头的截割效率、截齿的磨损 状况以及设计和评价截割头的结构和截割性能提供科学的手段和方法；同时对截 齿截割煤岩时的载荷进行模拟，得到切屑厚度、截割头转速、截割臂摆动速度和 截线间距对截齿载荷的影响曲线。通过绘制出的截齿的运动学和动力学特性曲线， 揭示了截割头截割性能以及运动学、动力学特性变化规律，为以后设计截割头提 供可靠的参考依据。论文利用s o l i d w o r k ss i m u l a t i o n 有限元分析软件对截割头进 行了有限元分析，得到单个截齿组在载荷的作用下应力集中在截齿的齿尖和齿座 的根部周围处，其产生的形变和位移较小，对截割性能分析影响可以忽略，为简 化截割头力学模型、改善单个截齿组的受力状况和齿座的形状提供依据。 上述各项分析与研究，所得结论为确定e b z 一2 5 5 型掘进机截齿空间运动规律、 载荷的变化规律、对截割头各个分布参数的选择及截割头的截割性能提供了一定 的理论参考依据和方法。 图【5 7 】表 6 参 6 0 】 关键词：e b z 2 5 5 型掘进机；截割头；截齿；m a t l a b ；仿真；有限元分析 分类号：t h 4 2 1 5 ； 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i nr e s e a r c ho b je c ti n t h i sp a p e ri st h ec u t t i n gh e a do ft h ee b z 一2 55 r o a d h e a d e r t h r o u g h t h e a n a l y s i so ft h ep a r a m e t e r s d i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ， k i n e m a t i c sa n a l y s i so fp i c ka n ds i m u l a t i o no fl o a do nc u t t i n gh e a d p e r f o r m a n c eo ft h e e b z - 2 5 5r o a d h e a d e r sc u t t i n gh e a di sd e s c r i p e d i nt h i sp a p e r , f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n ta n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m so fr o a d h e a d e r sa t h o m ea n da b r o a da r ei n t r o d u c e d ，s i g n i f i c a n c eo ft h es t u d yo ft h ec u t t i n gp e r f o r m a n c e ， i sp o i n t e do u t 3 dm o d e lo ft h ec u t t i n gh e a du s i n gt o o ls o l i d w o r k si ss e tu pb a s eo nt h e t h o r o u g hr e s e a r c ho ft h ec u t t i n gh e a dd i s t r i b u t e dp a r a m e t e r m a t h e m a t i c a lm o d e so f p i c k st r a j e c t o r yi nd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n s ，s p e e da n da c c e l e r a t i o ne q u a t i o n sa r e e s t a b l i s h e da n da n a l y s e du s i n gt o o lm a t l a b m e a n w h i l e ，l o a do np i c k s ，c u t t i n gh e a d a n dw o r ki n s t i t u t i o n su n d e rw o r k i n gc o n d i t i o nw a sa n a l y z e da n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e lw a se s t a b l i s h e dt or e v e a l sh o wt h e c u t t i n gp r o c e s si s i n f l u e n c e db yt h e m o v e m e n tp a r a m e t e r s s c i e n t i f i cm e a n sa n dm e t h o d sa r ep r o v i d e dt oe x p l o r ec u t t i n g e f f i c i e n c yo ft h ec u t t i n gh e a d ；p i c k sw e a rc o n d i t i o na sw e l la s t h ed e s i g na n d e v a l u a t i o no ft h es t r u c t u r ea n dc u t t i n gp e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m e ，l o a do nt op i c k s t r a n s v e r s ec u t t i n gc o a lr o c kw h e nt h el o a di ss i m u l a t e d ，g e ts c r a p st h i c k n e s s ，c u t t i n g h e a ds p e e d ，c u tc u t t i n ga r ms w i n gs p e e d sa n ds e c t i o ns p a c i n gt oc u tt h ei n f l u e n c eo f g e a r l o a dc u r v e t h r o u g hm a p p e dc u tp i c k so ft h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c s c h a r a c t e r i s t i cc u r v e ，r e v e a l st h ec u t t i n gh e a dt r a n s v e r s ec u t t i n gp e r f o r m a n c ea n d c h a r a c t e r i s t i c so fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c so fv a r i a t i o n , f o rd e s i g nc u t t i n gh e a d p r o v i d er e l i a b l er e f e r e n c el a t c ht h ep a p e ru s i n gs o l i d w o r k ss i m u l a t i o nf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ef o rc u t t i n gl l e a df i n i t e e l e m e n ta n a l y s i si sc a r r i e do u t g e tas i n g l e p i c k sg r o u pi nt h el o a du n d e rt h ee f f e c to fs t r e s sc o n c e n t r a t i o ni nt h es e c t i o no fp i c k s g e a rt o o t ht i p a n ds e a ta r o u n dt h er o o t so fp l a c e ，i t sp r o d u c ed e f o r m a t i o na n d d i s p l a c e m e n ti sl e s s e r , i n f l u e n c eo ft r a n s v e r s ec u t t i n gp e r f o r m a n c ea n a l y s i s c a nb e i g n o r e d ，f o rs i m p l i f i e dc u t t i n gh e a dm e c h a n i c a lm o d e l ，t oi m p r o v ei n d i v i d u a lc u tt e e t h g r o u ps t r e s sc o n d i t i o na n d t o o t hs h a p eo fs e a tp r o v i d e st h eb a s i s t h ea b o v e - m e n t i o n e da n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，t h ec o n c l u s i o nt od e t e r m i n ee b z 2 5 5 r o a d h e a d e r sp i c k ss p a c em o t i o n , l o a dc h a n g er u l e ，f o rc u t t i n gh e a de a c hd i s t r i b u t i o n p a r a m e t e rs e l e c t i o na n dc u t t i n gh e a do ft r a n s v e r s ec u t t i n gp e r f o r m a n c ep r o v i d e s i i a b s t r a c t c e r t a i nt h e o r e t i c a lr e f e r e n c eb a s i sa n dm e t h o d f i g u r e 5 7 】t a b l e 6 】r e f e r e n c el i t e r a t u r e 6 0 】 k e y w o r d s ：e b z 一2 5 5r o a d h e a d e r ；c u t t i n gh e a d ；p i c k s ；m a t l a b ；s i m u l a t i o n ；f i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h 4 21 5 引言 引言 随着综掘机械化和矿井配套设备的发展，使得煤矿生产的自动化程度大幅度 提高，掘进机作为矿井巷道掘进的一种重要机械设备，而截割头又是参与截割的 主要工作机构，其性能好坏对整机的使用寿命和工作效率有很大影响，直接影响 了掘进机的整机性能。目前我国从事悬臂式重型掘进机设计生产的主要有煤炭总 院太原研究院、上海研究院、三一重工、凯盛重工、佳木斯煤矿机械有限公司等， 主要系列为e b j 系列型、e b z 系列型、s 系列型等1 1 。虽然我国对重型掘进机的 研制工作虽然取得了一定的成效，在吸收国外技术的同时，积极创新，设计水平 不断提高，主要表现在机器的性价比较高、造型简洁、结构比较紧凑、机器重心 降低、元件性能及安全保护更加完善。但是与其他先进国家还是存在一定的差距， 比如掘进机总体性能参数偏低、缺乏完整的设计理论依据、基础研究方面也较薄 弱，计算机动态仿真方面还处于起步阶段【2 j 。 国内有很多学着和专家对掘进机进行研究进行了多方面的研究。辽宁工程科 技大学的李晓豁教授的掘进机截割的关键技术研究一书围绕中重型掘进机的 截割对象，对工作机构的截割头几何形状及参数以及截齿的排列和分布等进行了 理论分析和模拟研究，并分析了截割头的截割实验等的研究，提出了一套进一步 改进掘进机截割头工作性能能的设计理论及方法，为掘进机的设计、制造、使用 和改进提供了可靠的理论依据和方澍3 1 。陈淑莲等研究了悬臂式掘进机切割头运 动特性，推导出了截齿齿尖的运动方程，分析了截齿在工作时的运动特性和动力 学模拟研究，编出了一套软件在计算机上进行显示，对以后探讨截齿的磨损，提 高截割头的设计有重要意义，为截割头的设计寻找了一条新的途径1 4 j 。温学峰等 针对掘进机不同类型的截割机构，对截割头的摆动力、进给力、切削力以及截齿 的截线间距、截割速度、切削深度等进行了论述1 5 】。 目前，制约我国掘进机发展水平的主要因素是截割头的设计，截割头可靠性 是体现掘进机截割性能的关键因素。本课题主要是对掘进机截割的基础研究，针 对e b z 2 5 5 掘进机的工作环境、截割对象、截割头的尺寸形状，截齿的分布、工 作参数等，研究在各种条件下的截割性能，提高并完善结构及运动参数等，使其 达到截齿折损少、截割头受力均匀、生产能力大、整机稳定性好、比能耗低，使 整机的维修周期长，实现快速、高效、安全掘进的目的，为提高掘进机的工作性 能和整机寿命打下基础，同时也为掘进机新技术的运用打下基础。 - 第l 章绪论 1绪论 1 1 掘进机分类及组成 目前国内外研制和使用的掘进机按所掘断面的形状可分为全断面掘进机和部 分断面掘进机。全断面掘进机通过截割机构的旋转和连续推进，将整个巷道断面 的煤岩破碎。根据巷道断面的尺寸，把刀具布置于工作机构上，通过刀具破落煤 岩，完成装载、转载、支护等多种工序作业。因其功率大，破岩硬度高、尺寸及 机重大，主要用于开掘岩石巷道、隧道，掘出的巷道断面形状为圆形。部分断面 巷道掘进机截割机构的刀具仅能作用于工作面煤岩巷道的局部断面上，为了掘出 所要求的巷道断面尺寸，破落整个工作面的煤岩，必须依靠截割机构进行多次截 割，平行于掘进断面的工作面连续移动，才能达到整个断面的掘进。部分断面掘 进机主要适用于煤及半煤岩巷道掘进，其工作方式灵活，对巷道的形状和煤岩的 赋存情况适用性强，外形尺寸和重量小，生产效率高，便于巷道支护，能耗低， 可以得到矩形、拱形、梯形等多种断面形状的巷道【6 7 】。其可分为悬臂式、冲击式、 圆盘滚刀式掘进机和连续采煤机四种。其中悬臂式掘进机在煤矿中得到普遍的使 用。 悬臂式掘进机的分类【6 】： ( 1 ) 按截割头布置方式的不同可以分为两种： 纵轴式掘进机一截割头的旋转轴线与悬臂的轴线相重合( 如图1 所示) ； 横轴式掘进机一截割头的旋转轴线与悬臂的轴线相垂直( 如图2 所示) 。 图l 纵轴式掘进机 f i g 1 l o n g i t u d i n a la x i so fr o a d h e a d e r 安徽理工大学硕士学位论文 图2 横轴式掘进机 f i g 2 t h eh o r i z o n t a la x i so fr o a d h e a d e r ( 2 ) 按截割对象可分为三种： 煤巷悬臂式掘进机一截割的煤岩硬度f 4 ； 岩巷悬臂式掘进机一截割的煤岩硬度f 8 。 ( 3 ) 按机器的驱动方式可分为两种： 电力驱动悬臂式掘进机一由电动机驱动机构的运动； 电一液驱动悬臂式掘进机一由电动机和液压共同驱动机构的运动。 悬臂式掘进机主要有以下几部分组成1 6 j ： ( 1 ) 截割机构：由截割头、悬臂、截割减速机、截割电动机等组成； ( 2 ) 装运机构：由装载机构和中间刮板输送机两部分组成； ( 3 ) 行走机构：由履带架、马达、驱动轮、张紧轮履带板等部分组成； ( 4 ) 液压系统：由液压油箱、变量轴塞泵、多路阀、液压先导操作台、液压 马达、油缸、冷却器以及液压辅助元件等部分组成； ( 5 ) 电气系统：由防爆操作箱、防爆电控箱、油泵电机、电动滚筒、矿用隔 爆型压扣控制按钮、防爆电铃、照明灯、防爆电缆等组成； ( 6 ) 喷雾降尘系统：由内、外喷雾灭尘装置等部分组成； ( 7 ) 机架：由用以安装、联接、支撑上述装置的机构组成。 全断面掘进机是通过截割机构上安装的盘形滚刀旋转和连续的推进，破落整 个断面的煤岩，从而使巷道断面一次成型的大型机械设备，因其主要用于硬度较 高的岩石巷道，又被称为岩石掘进机( 如图3 所示) 。全断面掘进机在巷道中作业 2 第1 章绪论 时，对围岩的影响较小，围岩的稳定性好，减少了巷道断面不必要的超挖量，断 面光滑，降低了维护费用，并完成破落、装载、转载、支护等多种工序机械化作 业，巷道的掘进速度快，工作效率高，进尺成本低，生产安全可靠，因而广泛应 用于煤矿巷道、铁路及水利水电隧道等。 图3 全断面掘进机 f i g 3 w h o l es e c t i o nr o a d h e a d e r 全断面掘进机主要有以下几部分组成【6 】： ( 1 ) 刀盘系统：由刀盘、滚刀和刀盘轴承等组成； ( 2 ) 支承机构：由前支承、侧支承、后支承和辅助支承等部件组成； ( 3 ) 支撑机构：由支撑油缸、支撑板和支撑座等组成； ( 4 ) 推进机构：由推进油缸、支座和销等组成； ( 5 ) 导向机构：由导向壳体、连杆等组成； ( 6 ) 刀盘转动机构：由减速器、离合器和电动机等组成； ( 7 ) 出渣系统：由铲斗和皮带输送系统等组成； ( 8 ) 其他机构：包括机架、电气和液压装置和其他附属装置。 1 2中重型悬臂式掘进机应用现状及发展趋势 1 2 1 国内悬臂式重型掘进机的发展概况 2 0 世纪6 0 年代我国对悬臂式掘进机的研制和应用，最初以h k 一3 0 小功率掘 - 3 安徽理工大学硕士学位论文 进机为主，通过消化和改进多种小型掘进机，于1 9 7 5 年由太原煤研所等单位设计 并由佳木斯煤矿机械有限公司生产出中国第一台自行研制的掘进机一删一3 0 型 掘进机。由于当时条件的限制，只能定型生产几种机型的掘进机，却为我国以后 自行研制悬臂式掘进机奠定了技术基础。 8 0 年代初期，为适应煤巷的需要，从国外引进了么m 一5 0 型、s 一1 0 0 型两种 具有代表性的掘进机机型，对发展我国综掘机械化起到了重要作用。通过国内外 的合作，提高设计水平，使我国自行设计了多种悬臂式掘进机。“八五”后期由煤 科总院太原分院与佳木斯煤矿机械有限公司共同研制出e b j 一1 6 0 重型掘进机，并 在井下试验成功。为了加快我国重型悬臂式掘进机的发展，积极研制开发综合机 械化掘进装备，于1 9 9 8 年由佳木斯煤矿机械有限公司承担了e b z 2 0 0 m 重型掘进 机的研制，并在岩石硬度为厂= 6 7 的半煤岩中获得试验成功。 在进入“九五 后期以后，我国开展了对重型掘进机的研发，通过产学研联 合开发，重型掘进机的设计和制造水平已相当先进。重型掘进机已进入快速发展 阶段，并先后生产出e b z l 6 0 、e b z 2 0 0 、e b z 2 3 0 、e b z 3 0 0 等重型掘进机，在 半煤岩和岩巷巷道中得到广泛应用。2 0 0 9 年由凯盛重工有限公司、安徽理工大学、 国投新集能源股份有限公司协作研发的e b z 2 5 5 重型硬岩掘进机在淮南矿业集团 丁集矿和国投新集煤矿获得工业性试验成功，填补了国内煤机产品的空白。 在我国的大型煤矿中，除了煤巷需要掘进外，还有大量的全岩和半煤岩巷道 需要掘进，因此，采用重型化、大功率、大质量的重型掘进机为主。国内主要有 e b z 2 0 0 ( h ) 、e b z 2 3 0 、e b z 2 5 5 、e b z 2 6 0 、e b z 3 0 0 、e b z 3 18 等重型掘进机 机型。目前，我国重型掘进机一般应用于岩石分化大、节理发育好的情况，硬度 在厂= 6 8 之间的岩巷巷道掘进，机重约6 0 1 2 5 t 、总功率2 9 0 6 2 4 k w ，月进 尺在1 5 0 以上。当截割岩石硬度厂 8 时，不仅截齿磨损比较大，而且掘进机的截 割效率低、设备消耗大；同样，即使截割节理发育不好，岩石硬度f - 誊邶蝴 届 i 1 3 4 4 5 厂 厂。 、 ， 7 一 。、。 0 0 1 20 2 40 0 4 0 o 0 0o 7 20 8 40 0 61 1 2 1 3 时闸0 e 图8 截割头摆动与转动时齿尖的轨迹线 f i g 8c c u t t i n gh e a ds w i n g i n ga n dr o t a t e dt e e t hp o i n t e dt r a c kl i n e 图9 为截割过程的示意图。此图为某一过齿尖的平面，并垂直于截割头的主 轴，分析的截齿位于头体的锥段。并约定主轴的方向为z 轴，因而图示中的平面 则为x y 平面，摆动的方向为沿x 方向，所有的标示尺寸均为实际尺寸在它上面 的投影。这样的分析设置基于截割头在工作过程中，d ，时间内摆动扫过面和平面 近似，对分析结果与实际不会产生大的误差。图中的虚线表示的截割前的截割头 的位置，实线表示的是经过谚时间后，截割头摆动截割的位置，在截割过程中， 齿尖从图示中的齿尖截割轨迹的开始运动到轨迹的末端。 1 、 “ i 艺 图9 截割头截割示意图 f i g 9c u t t i n gh e a dt r a n s v e r s ec u t t i n gs c h e m e s 1 7 面的投影角 安徽理工大学硕士学位论文 现在对基本参数作一个符号的说明： 万，：截割头旋转角速度 刃，：截割头摆动角速度 r ：掘进机摆臂长度 ：头体在齿尖处，沿垂直主轴平面相交的截面半径 三：d ，时间内摆过的长度 经过z 时间，掘进机摆过的长度可以表示为： 三= 万2 r d , 在摆动同时，截齿要扭转，则截齿在谚时间内的扭转角度为： 伊= 刃i z 在图9 中，设截割角在主轴垂面的投影角为鼠，在开始时刻，截齿长度s 在 x 轴上的投影可以表示为： s x = c o s 口1 ( 2 - 1 ) z 时间后，截齿长度在x 轴上的投影为： s = s c o s ( 0 1 + q z ) ( 2 2 ) 最= s ，一s x = s ( e o s 0 , 一c o s ( 0 , + 刃1 吐) ) ( 2 - 3 ) 则长度的变化率为： = l i m 鲁= 躐n ( 岛帼a t ) 巧，= 跚s i n ( b + 万，a t ) ( 2 - 4 ) 由摆动的瞬时速度可得： v 2 - 0 ：一l = 吼灭( 2 - 0d t 5 ) f 一 2 可以预见，当g s x 时，必然存在着干涉的趋势，因为刀杆在不断地向岩 壁靠近。在截割过程中，任一时刻，安全的不会出现齿座参与截割的条件为： 万2 r d t s w ls i n ( 0 1 + a t l d t ) 0 ( 2 6 ) 整理后可有： s k s i n ( e , 蜗娜( 2 - 7 ) 考察上式，当旦 粤成立时，上式定成立，因而，保守的刀杆不会出现 万tk 截割岩石的条件为旦 篁。 刃， r 1 8 第2 章e b z - 2 5 5 型掘进机的组成及截割头的设计研究 在图9 中，如果下一个截齿没有进入截割，则摆动长度l 不能大于包络线半 径与头体半径之差，否则会出现头体参与截割的情形出现，这是一种更糟糕的情 形。设相邻截齿齿尖之间的角度相位差为9 ，则从前一个截齿刚刚开始截割到第 二个截齿到达截割位置，所用的时间为： t ：旦 ( 2 一- 8 一) = () 万l 则摆动长度： 上：刃，r 旦( 2 9 ) 万1 如果包络线半径与头体半径之差为a r ，则应有下式成立，不会产生头体参 与截割的情形出现。 z k r l ：万，r 旦 ( 2 1 0 ) 刃1 至此，包络线的尺寸可以根据相关参数基本确定。 2 截齿排列参数的选择 1 ) 截齿的数目 随着掘进机功率增大，截割头体的体积增大，因而截齿的数目也有所增大。 从现有的掘进机截齿的数目来看，西安煤矿机械厂生产的e b z l 2 5 x k 掘进机有截 齿3 6 把，凯盛重工生产的e b h l 6 0 掘进机有3 5 把截齿，三一重工生产的e b h 2 0 0 s 则有4 2 把截齿。过少的截齿会使单个截齿的受力增大，而过多的截齿则不利于截 割下来的岩石顺利排出。综合参照以上，初定e b z 2 5 5 型掘进机的截齿数目为4 5 ， 具体的数目将在受力分析之后，依据分析结果进行确定。 2 ) 截齿的排列方法 截齿的排列方法描述了截割头上截齿的排列特征，其可分为顺序式排列和交 叉式j j v y u t 2 5 】， 2 s 】。 ( 1 ) j 1 0 j i 序式扫 列。 截割头在截割煤岩过程中，同一条螺旋线上的截齿按顺序排列，不同截线上 的截齿不存在相对超前，按顺序截割，如图1 0 ( a ) ，工作面产生单向自由面，使截 齿受不平衡的侧向力的作用。 1 9 安徽理工大学硕士学位论文 扪 图1 0 截齿两种不同的排列方法 f i g 10 p i c k st w od i f f e r e n tp e r m u t a t i o nm e t h o d ( 2 ) 交叉式排列。 截割头在截割煤岩过程中所成的切口分布形状为棋盘状，又称棋盘式。这种 截割头，同一条螺旋线上的截齿按交叉间隔排列，如图1 0 ( b ) ，截割时相对相邻截 齿超前开出半个切屑厚度，工作面产生两个自由面，使截齿受平衡的侧向力的作 用。 ( 3 ) 组合式排列。 这种截割头把顺序式和交叉式排列方法组合布置截齿的位置。 由于截齿在交叉式排列时截齿受平衡的侧向力的作用，切屑断面形状呈方形， 落煤的块状率高、粉尘量少，而且截齿数目为4 5 把，在一定程度上可以减小截线 间距的大小，使截割头具有很好的截割性能，而且现有的掘进机也越来越多的采 用交叉式排列方式，因此e b z 2 5 5 型掘进机的截齿排列选用交叉式排列方式。 3 ) 截齿的螺旋头数 截齿位置分布规律一般是沿着几条螺旋线安装。不同的掘进机截割头上螺旋 线数目不同，有两条，也有三条，极少数也有四条的。对于采用单头螺旋的截割 头，在截割过程中为了降低截齿的载荷，肯定会减少截齿的截线间距，于是就会 减少螺距，最终造成落煤的块状率降低、粉尘量增多，煤不易排出。对于双头螺 旋的截割头，截齿选用顺序式排列时，在截割时能够相互卸载；选用交叉式排列 时，截齿的截线间距减低，截割阻力减少，对于3 头螺旋的截割头，实验证明截 割效果也比较好。因此，截割头的螺旋头数一般选2 或3 头，e b z 2 5 5 型掘进机 将螺旋线定为三条3 1 。 4 ) 截齿的分布规律 2 0 第2 章e b z 一2 5 5 型掘进机的组成及截割头的设计研究 从对截割头上截齿的运动学分析可知，e b z 2 5 5 型掘进机有三种工况模式， 在截割头的钻进工况下，截齿的轨迹是空间螺旋线；在截割头的左右( 上下) 摆 动截割工况下，截齿的轨迹是为轴心沿垂直平面、且与截割臂水平摆动所形成的 圆柱面相切的摆线。因此，为便于截割头的截割和排屑，截齿在截割头上应当呈 螺旋形排列。由于截割头的包络面通常是由几种不同形状的回转曲面组合而成， 而螺旋线在不同回转面上的方程也不一样。由e b z 2 5 5 型掘进机截割头的形状可 知，其包络面是由三个回转曲面组成，如图1 1 所示，截割头的包络面由球面、圆 锥面、圆柱面组成，截齿就按一定的排列方式分布于截割头上【2 7 】。 z c 飞 fln 则v = ；【，o j i2 x 。动点起始位置在x 轴上厶( ，0 ，0 ) ，经过f 秒后移动到a ( x ，y ，z ) ，此 瞄三 弦 2 1 安徽理工大学硕士学位论文 同时圆锥母线又绕着其轴线作等角速度回转运动，在圆锥面上动点的运动轨迹为 圆锥螺旋线，如图1 3 。当母线旋转一周，动点沿着轴线方向上升的距离为导程旯。 当 图1 3 圆锥面上螺旋线图图1 4 球面上螺旋线图 f i g 13t a p e rs u r f a c es p i r a lc h a r t f i g 14s p h e r es p i r a lc h a r t 设圆锥母线的回转角速度为g o ，沿轴线运动的线速度为v ，则，= 2 9 0 2 x 。 动点起始位置在o ( 0 ，0 ，0 ) ，经过r 秒后移动到a ( x ，y ，z ) ，此时动点绕轴线转过臼= a r t 角度，相对于x o y 平面上升z = v t = 2 9 0 t 2 x ，于是，圆锥面螺旋线的参数方程为： 以g o t够 x = 垃二c o s g o t 2 刀。2 ：丝 (212)yt g 二s i n g o t 1 2 = i 一， ( 2 z 万z 九g o t z = 一 z 万 式中 够一锥顶圆角 ( 3 ) 球面螺旋线 如图1 1 所示，c 段是球面螺旋线，动点沿着球面上的子午线做等速回转运动， 同时球面子午线又绕着其轴线作等角速度回转运动，在球面上动点的运动轨迹为 球面螺旋线，如图1 4 。当子午线旋转一周，动点沿着子午线方向上升的距离为导 程旯。 设球面子午线的回转角速度为g o ，沿子午线的线速度为1 ，则v = 2 0 9 2 7 r 。 动点起始位置在o ( 0 ，0 ，0 ) ，经过f 秒后移动到a ( x ，y ，z ) ，此时动点绕轴线转过 夕= r o t 角度，相对于x o y 平面转过口= v t r = a g o t 2 e r ，于是，球面螺旋线的参数 方程为： 2 2 第2 章e b z 2 5 5 型掘进机的组成及截割头的设计研究 f x = 厂c o s a c o s ? = 尸c o s ( 2 c o t 2 m ) c o s c o t 少= r c o s o ! s i n f l = r c o s ( 2 c o t 2 n r ) s i n c o t 【z = r s i n a = ，s i n ( 2 c o t 2 n r ) 式中 ，一球面半径； 口一鲥与x o y 平面的夹角( 口= v t r = 2 c o t 2 n r ) ； 一叫与x o z 平面的夹角( = c o t ) 。 按照e b z 2 5 5 型掘进机截割头的几何形状，联立三个参数方程， 度为螺旋线的导程旯，绘出螺旋线图形，如图1 5 所示【2 9 1 。 - 5 0 0 5 0 0 y x ( 2 1 3 ) 以截割头长 图1 5 截齿分布螺旋线图形 f i g 15 p i c k sd i s t r i b u t i o nh e l i c a lg r a p h i c s 3 截齿空间角度的确定 1 ) 截齿中心线数学模型 在图1 6 中，设截割头头体的曲面方程为z = f ( x ，y ) ，齿座在点p o ( x o ，y o ，z o ) 与 其相切，切面方程可以表示为z 一气= f x ( x o ，y o ) ( x - x o ) + l ( x o ，y o ) ( y - y o ) 。过点p o 作切平面的法线b 只，过点p , ( x l ，y l ，z 。) 作一直线，这一直线为截齿的中心线，同 时在此直线上取一点罡( 砭，y ：，z 2 ) ，令k 最i = q ，整理可以得到截齿中心线的数学 参数模型为【2 7 】： f x 2 而+ f y = 乃+ c t ( 2 1 4 ) iz ：z 1 + 历 2 3 西 他 0 他 安徽理工大学硕士学位论文 舯c ：型p + 、| p 孕2 - 4 q ； d = t g e 5 ，：下坠； 1 + c 2 + d 2 q = 噬番) c 掣o s ； q j r ：七 ：。6 一l ： p = 2 ( f x 秘) 六 百万巧压叨。 线 图2 - 1 4 截齿位置 f i g 2 14p i c k sp o s i t i o n 2 ) 截齿中心线位置 截齿中心线的位置是由截齿齿尖的空间坐标和中心线的三个空间角度来确定 的。在分析过程中，主要考虑当齿尖位置确定后截齿三个空间角度的确定。 要确定截齿中心线与截割头的位置关系，首先以截割头底面中心为原点，以 截割头底面为x o y 平面，以截割头回转轴线为z 轴，建立空间直角坐标系o x y z ， 如图1 7 ( a ) 。如图p 点为某截齿齿尖的坐标点，同样以p 点为原点0 ，建立局部 坐标系o t x yz ，如图1 7 ( a ) ，o t x o x 、o y o y 、0 v z o z ，点尸在截割头的包 络面上。 由于在截齿切入岩石时，以很好的冲击角切入时截齿的截割力最大，截割效率 最高。在设计截齿的空间位置时，应当使截齿能够更好的完成截割任务，因此， 在直角坐标系中，截齿的空间角度一般由截齿的切削角6 、旋转角s 和安装角的 - 2 4 第2 章e b z 一2 5 5 型掘进机的组成及截割头的设计研究 补角r 确定。切削角艿和旋转角占是截齿中心线的空间角度，而截齿的安装角补 角刁是在截齿中心线确定之后，再确定出截齿齿座相对于直角座标系的空间角度 【3 0 】，如图1 7 ( a ) 。 l ， 刁一 ， ， ， 图2 - 1 6 截齿中心线位置图 f i g 2 - 16 p i c k sc e n t e r l i n el o c a t i o n s ( 1 ) 切削角万 切削角艿是截齿的中心线与截齿齿尖截割轨迹的切线之间的夹角，能够使截 齿以较好的冲击角楔入岩石，如图1 7 ( a ) ，p c 为截齿的中心线，厶为截齿齿尖截 割轨迹线的切线，厶为截齿齿尖的截割轨迹线，切削角万是截齿的中心线心与截 齿齿尖截割轨迹线的切线厶的夹角。在截齿截割过程中，截齿的轨迹与截齿的截 割速度有关，由于截割速度的不断变化，切削角也要适应这种变化，最小角为4 5 。， 截割速度大时，切削角也取大值，最大不超过4 8o ；而且为了减小截割阻力和进 给阻力对截齿弯矩的影响，使其合力的方向在截齿中心线附近范围内变化，根据 试验研究发现，大部分掘进机的截齿切削角都在4 5 - 4 8 。 在截割过程中，由于截割头的摆动速度相对于截割头自身的旋转速度很小， 齿尖运动轨迹接近于圆，为计算简便，将齿尖的轨迹看作在x oy 平面内以截割 头轴线为中心的圆，所以截齿齿尖轨迹的切线与o x 轴重合。因此，就可以用艿即 a p c 近似为切削角万，平面x 0y 就可以认为是齿尖尸的切削平面。 ( 2 ) 旋转角 2 5 f 一 沙厂 ，r 专 ，一 iin “ ，x 气 |一 -in ， 安徽理工大学硕士学位论文 旋转角s 是截齿中心线与通过齿座支撑面中点的切线的投影线的夹角，如图 1 7 ( a ) ，近似等于截齿中心线与切削平面0 y 的夹角即心与尸6 之间的夹角 z b p c 。旋转角又叫扭转角，它使截齿在截割过程中，能在齿座中转动，有自磨 锐性，所以对截齿的磨损状况有影响。选择一个合适的扭转角占不仅可以在截割 过程中在截齿上产生旋转力矩，使截齿在齿座中自转，从而使截齿磨损均匀，而 且使截齿楔入岩石的能力强、破碎能力高。根据每个截齿在截割头上的位置不同， 其扭转角的数值大小也不等，一般为8 - 3 5 。，分布于球冠处的截齿一般取3 5 。 ( 3 ) 安装角口 安装角口是截齿齿座底面与在该截齿齿尖处包络面的切平面的夹角，一般用 于调整过渡区和端面的截齿位置，避免齿座参与截割，保证有效的截割，如图1 7 ( b ) ，平面c o f 为过齿尖与齿座底面垂直的垂面，s 为齿尖处包络面，f 为齿尖 处包络面的切平面，平面c o f 过截齿中心线o c 。平面c o f 与平面f 交于直线d p ， 两平面的夹角为r ，所以叩为安装角p 的余角。对于主要截割区的截齿安装角一般 为0 。，则叩一般为9 0o ；而球冠处部分的截齿安装角p 在3 0 - - 7 0 。，具体数值的 大小依据截齿的位置。 2 2 3e b z 2 5 5 型掘进机截割头的建模 1 截齿齿尖位置的确定 根据e b z 2 5 5 型掘进机总截齿数为n = 4 5 ，截割头体的直径莎= 1 1 2 0 m m ，截 割头体长度三= 1 l o o m m ，截齿的布置方式采取3 头螺旋线布置。 根据图1 5 所示的一条螺旋线形状，利用同样的方法可以作出第二条和第三条 螺旋线，表3 是一条螺旋线上截齿的分布情况，利用同样的方法可以作出第二条及 第三条螺旋线上的截齿分布情况。 表3 截齿的分布 t a b l e 3p i c k so fd i s t r i b u t i o n 2 6 第2 章e b z 2 5 5 型掘进机的组成及截割头的设计研究 2 截齿的几何空间与三维模型的转换 根据推导出的截齿中心线的数学参数模型，在s o l i d w o r k s 中很难画出齿尖在 某一点的切线。要建立其三维模型，必须对切削角万和旋转角占进行转换。如图 1 7 ( a ) ，在坐标系o v x y z 中，截齿齿尖尸的位置就是坐标系的原点0 ，由于截割 头的摆动速度相对于截割头自身的旋转速度非常小，将齿尖的轨迹看作在一d y 平面内以截割头轴线为中心的圆，此时切线0 t 口与o t x 轴重合，因此可以用艿即 a p c 近似为切削角万。如图1 7 ( a ) ，因此，只要求出y 和y ，再利用齿尖的坐 标值，就很容易建立截齿中心线的三维模型。以万= 4 5 。，占= 2 0 。为例，设 z a o b = 口，p c = ，则： l s l n s t a n 口= 一 ，c o s 4 5 0 ，s i n 占 口= a r c t a r l z c o s 4 5 0 又因为p b ：生竺竺，c o s y ：娑：笔竺塑竺，所以 c o s 口- cz c o s 口 y = 2 4 4 2 。 同理可得： 万= 4 5 0 ，z b p c = 占= 8 0 pc ip c c o s 4 5 0 c o s l 矿= = 一 l p bp c c o s 8 0 y = 4 4 4 。 3 截割头的建模 对e b z 2 5 5 型掘进机截割头建模，重点为截齿的建模。为了确定截齿的位 置，理论上可以采用二种描绘方式：直角坐标系和柱坐标系刚。主要的描叙对象 为截齿齿尖与轴线的空间位置，均要有二点才能确定出其空间位置。但是，在三 维建模过程中，为了分析截齿的最佳位置及合理的截齿分布，截齿的齿尖与轴线 还与截割头的外形有重要的关联。因此，在建模过程中，必须要将截齿与截割头 2 7 安徽理工大学硕士学位论文 的外形进行结合。 1 ) 截割头头体的建模 根据e b z 2 5 5 型掘进机头体的图形，以头体底面中心为原点，回转轴与z 轴 重合，在s o l i d w o r k s 中建立其三维结构图，如图1 8 所示。 霹蕊 囊囊i 篓攀鬻豢二i ：蒸j 蒸要篓叠毒，i蠹7再1。叠i i 蓄鬻。 幽 图1 8 截割头头体建模 f i g 18 t r a n s v e r s ec u t t i n gb o d ym o d e l i n g 2 ) 截齿中心线的建模 图1 9 截齿中心线的建模 f i g 19 p i c k sc e n t e r l i n em o d e l i n g 首先根据表3 中截齿齿尖的坐标，然后再根据在图1 7 中对截齿中心线的角度 转换所求出的参数y 和 f ，就可以在截割头头体的三维模型中画出某一截齿的中 心线，然后根据截齿和齿座的相对位置关系，在头体模型中把齿座的模型建立出 来1 3 2 1 ，如图1 9 所示，这里把齿座固定在头体上，有利于后面对头体的分析，重 2 8 工溶毒 第2 章e b z 2 5 5 型掘进机的组成及截割头的设计研究 复截齿中心线的建立过程，就可以把所有截齿中心线建立出来。 3 ) 截割头的模拟装配 在齿座建立模型的过程中，一般取安装角p 为9 0 。，在球面区域作个别调整， 齿座和头体连为一体，对所有齿座建立模型后，然后将截齿和齿套装配上去。根 据截割头主要由头体、齿座、截齿、螺旋叶片、喷水座、齿套、筋板等组成的， 建立其模型图如图2 0 所示。 2 3 本章小结 图2 0 截割头模型 f i g 2 0c u t t i n gh e a dm o d e l 本章通过对e b z 2 5 5 型掘进机基本结构和参数的介绍，细致的对截割头结构 及其截齿的