（机械设计及理论专业论文）铣挖机铣挖头设计与优化研究.pdf

第1 i 页武汉科技大学硕士学位论文 a b s t i a c t a san e we n g i i l e e r i l l gm a c l l i n e r ye q u i p m e m ，m ed 姗c u t t e rh a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yi n f i c l do f b u i l d i n gc o n s 仃u c t i o n ，t u m l e l i n ga i l dm i n i i l ge t c c u t t i n gh e a d ，a sa ni m p o r t a n tp a no ft h e d n l mc u t t e r ，c o n s u m e sm o s to fp o w e ro fm ew h o l em a c h i n ew h e ni tw o r k s w i mt 1 1 ec o m p l i c a t e d s t r u c t i l r e ，c 蹦n gh e a dh a sm a n yc o 仃e l a t e da 1 1 di n t e r a c t e da s s e i n b l yp a r 啪e t e r s ，w h i e hh a v ea 1 1 i n n u e n c eo nm ec u t t i n gp e r 】白m a n c eo f 廿l ew h 0 1 em a c h i n ed i r e c t l y a c c o r d i n g l y ，也ed e s i 鲈a 1 1 d o p 妇l i z a t i o no fm ec u t t i ：n gh e a db e c o m e s 廿1 em 撕nr c s e a r c hc o n t e n ti nt h i sp a p e r 1 1 1 ea u t l l o ru s e d l ec u t t i n gh e a do fg e m a l le r k a te r - 1 5 0 0d m mc u t t e rf o rt h ec l l i e f r e s 朗r c hs o u r c ei i lt h i sp 印既b a s e do nt h eo r i g i n a ld a t ao b t a i n e db yp r e l i m i n a 巧s u r v e 姐n ga i l d m a p p i n 吕t 1 1 ea u l l l o rh a ds t i l d i e do n l el a y o u to fm em i l l i n gc u t t e r s 锄dd e s i 鲈e do u tm el a y o u t i n t l l e o r yf i r s t ；t 1 1 m ea u m o ru s e d 廿l ed ) i l 锄i c s i m u l a t i o nt e c i l i l o l o g y ，a n a l y z e dt 1 1 e p 翻a 1 1 c eo fd r | m nc 眦e rs y s t e m a t i c a l l y ，6 n a l l yo p t i m i z e dm ek e yg e o m e t r i cp a r 锄e t e r ss u c h 嬲c u t 血ga i l 西ea n dm i l l i n gc u t t e r 卸sa x i a lg a p f u n l l e rs i 瑚【u l a t i o nr c s u l t ss h o wm a tt 1 1 e p 拍m 锄c eo fc u t t i n g h e a dg o tac l e a r i m p r o v 锄e n t n l em a i nr e s e a r c hw o r k sa n d a c l l i e v e i l l e m si n l i sp a p e f 嬲f o l l o w ： ( 1 ) i i lo r d e rt op 撇嘶cd e s i 印o f t l l e 训n gh e a d ，m ea u t l l o rp u te a c hp 撇e t e ri m oo n e m a t h e n l a t i c a lm o d e lc o n s i d e dt l l e 如n c t i o no f 廿l e ma 1 1 dt h m u g l lm em e t h o do fs p a c ec o o r d i n a t e 咖s 向m i n gp r i n c i p l e ；t l l e s ee s t a b l i s ht h et h e o 巧b 撕so fd n 】i i lc u 饨e r ss h l l c t u r ed e s i 印 ( 2 ) n u 西c a l c u l a t e dm ef o r c ew h 吼l l l em i l l i n gc 眦e rm i l l e dt h er o c k ，t h ea u 1 0 r d e t a m i n e dm el o a do f m em i l l i i l g 嗽i nd i 董f 酾l tc u t t i n ga n 西ea i l dc r o s s c u ts p e e d t h ea u m o r b u n tm e3 dm o d e lo ft l l e m i l l i n gc i n t e r 觚dh 0 1 d e rb yp r 0 e ，t l l e nl e a d e d 也e mi n t 0 p m e c h a l l i c a ，a 1 1 a l y z e dm es 缸岱so f 1 em i l l i n gc u t t e ri nd i 段i r e n tc 眦i n ga n 哲ea l l dc r o s s c u t s p 。c d a c c o r d i n gt o 也er e s u l t ，也ea u m o rc h o s e l eo p t i i i l u mc u 仕i n ga i l 哲eo f m i l l i n gc u t t e r 1 1 l i s m a d em ef 0 吼d a t i o no f 廿l ec u t t i n gh e a dd e s i 班 ( 3 ) 1 1 1o r d e rt 0a i l a l y z et h ep e r f o m a l l c eo fm ed n l i l lc u 仕e r ，t 1 1 ea u t l l o rd i dt h ed v n 锄i c s s i 珈曲撕o no fm e 由啦nc u t t e rw o r k t h ea u m o r1 e a d e dm e 础i n gh e a d3 dm o d e li n t oh y p e n n e s h f i e s t 也m e 略e di t 锄dm er o c km o d e lt o g 甜1 矗n a l l yc o n s 咖c t | e dt h em o d e lo fm ec u t t i n g h e a dl o n 西t 1 1 d i n a la i l d 仃 m s v e i r s em i l l i n gr 0c ：kr e s p e c t i v e l y t 1 1 1 0 u g hm e s h e dt l l em o d e l ，s e tt h e k e yp a r a m e t e r s ，c o n s t r a i n t ，廿l eb o u n d a 巧c o n d i t i o na n ds o l v i n gt i m ee t c ，l ea u t h o re x p o r t e dt h e kf i l e sw h i c hw a ss u i t a b l ef o r l s - 【) 、i ao p e r a t i n g l e a d e dt h ekf i l e i n t o a n s y s l s d y n a l 0 0s 0 1 v e r n l ea u t l l o ro b t a i n e dt h ef o r c eo fm em i l l i i l gc u t t e r sl o n g i t u d i n a l a n d 仃a n s v e r s em i l l i n gr o c ka f t e ro p e r a t i o n ( 4 ) t h e 蛐咖d i e do n 也ek e yp 跚啪既e 卜咖i 1 1 i n g 仉肚e rt i p sa x i a lg a p ，t h e no b t a i n e da m o r er e 塔o n a b l ev a l u eo fi t 吼ea u t l l o rh a dd o n em ed ”a 痂cs i 珈【u l 撕o no ft h ec u t t i n gh e a d w i l i c hw a sa d j u s t e dm i l l i n gc u t t e rt i p sa x i a lg a p t h er e s u l ts l l o w e dn l a ft h ef b r c ed 擅宅f e n c eo f e v c ：巧l i l i l n i 唱c u t t e rd e 嘲c d ，锄dm e 、v h o l ef 研c eo fc u t t i n gh e a da l s od e c r e a s e d s oi t w a s 武汉科技大学硕士学位论文第1 i i 页 e 饪酬v et om a k et h ef o r c eo f c u t t i n gh e a dm o r er e a s o n a b l eb ym o d i 助n gm em i l l i n gc u t t e rt i p s a ) 【i a lg a p ，l e r e b y ，i te s t a b l i s h e d l eb 嬲i s f o rt h e f o l l o w u pr e s e 卸c ho ft l l em i l l i n gc u t t e r s p a r a m e t e r s t h ea u t h o rh a v ed o n eas y s t c l l l i cr e s e a r c ho fm em i l l i n gc u t t e r s s 仃u c t u r ed e s i g n ， p 刊b n i l a i l c ea j l a l y s i sa j l do p t i i i l i z a t i o n6 o mm e 廿l e o 巧n l o d e l ，3 de n t 时b u i l d i n g ，d y i l 锄i c s s i m u l a t i o na n ds t m c t u r eo p t i m i z a t i o ne t c 1 1 1 er e s e a r c hm e m o d sa 1 1 dr e s u l t sw e r en o t o n l v m a l 【i i 培l es e n s ef o rd r u mc u t t e rd e s i g n ，b u ta l s oh a v i n gag o o de n 百n e e r i n g 印p l i c a t i o nv a l u e f 1 0 fd n l mc u t t e rl o c a l l yp r o d u c i n g k e y w o r d s ：d m mc u t t e r c 眦i n gh e a d ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，s 仃u c t u r ei i n p r o v 锄e n t 武汉科技大学硕士学位论文 第1 页 第一章绪论 1 1 概述 1 - 1 1 铣挖机简介 铣挖机作为一种新型的工程机械设备，可安装在任何类型的液压挖掘机上，高效替代 挖斗、破碎锤、液压剪等通用配置，应用于隧道掘进及轮廓修正、渠道沟槽铣掘、建筑物 拆除、沥青混凝土路面铣刨、岩石冻土铣挖、树根铣削等多个领域。铣挖机的优点有： 铣挖范围广。在中低硬度的岩石如风化岩、凝灰岩中，最大铣挖效率可达2 5 1 2 0 m 3 j j l ( 随 岩石的密度、破碎度不同而不同) ，也可铣挖无钢筋或有少量钢筋的混凝土，使用大功率 铣挖机，可以轻松铣挖配有3 0 咖以下直径钢筋的混凝土；0 振动低、噪音低。可在限制 爆破地段( 如浅埋隧道或岩层破碎地段) 有效替代爆破施工，减小对围岩的扰动，并能很 好地保护环境；0 精确控制施工，可以快速准确的修整构造物轮廓。应用在隧道开挖中， 不但可以解决令施工单位头疼的欠挖问题，还进而降低施工单位“宁超勿欠所引起的成 本增大问题；铣挖下来的物质粒径小且均匀，可直接作为回填料；安全性好。使用铣 挖机取代人工进行软岩或破碎岩的隧道掘进，排除掌子面前方工人开挖的危险，从而大大 提高了隧道施工的安全性；结构简单，使用方便。它可以安装在任何一台即有的液压挖 掘机上，可利用液压破碎锤或液压钳的液压回路进行安装，使用方无需额外购买挖掘机。 按铣挖盘的方向不同，铣挖机可分为横向铣挖机和纵向铣挖机两种系列，根据铣挖头 直径、功率的不同又分为多种不同的级别型号。在实际应用中，横向铣挖机的使用更多。 表1 1 为德国艾卡特生产的典型横向铣挖机技术参数情况。 1 1 2 国外铣挖机及技术发展概况 铣挖机作为一种新型工程设备，从诞生到现在也不过十几年历史，目前世界上最大的 铣挖机生产供应商为德国艾卡特公司。艾卡特公司根据工程实际需求，设计研发了一系列 的横向、纵向铣挖机，当前有关铣挖机最先进的设计、研发、制造技术都由该公司掌握。 铣挖机由掘进机发展而来，铣挖机铣挖头的设计与掘进机截割头的设计有相同之处，国外 掘进设备的研发已经有近8 0 年的历史，国外很多国家经过大量的试验，建立了截齿和截 割头的数学受力模型，德国又在此基础之上，通过分析研究，寻求截割机构的优化设计及 方法。艾卡特公司在这些理论的基础上，设计研发铣挖机，迸一步拓宽了掘进机的应用范 围。该公司将计算机模拟、动态可视化设计、有限元分析以及优化设计等先进技术应用到 铣挖头的设计研究上，推动着铣挖机铣挖理论的快速发展n 吲。 表1 1 德国艾卡特生产的典型横向铣挖机技术参数 铣挖机型号 e r l 0 0e r 2 5 0e r 8 5 0e r 7 0 0 技术参数 单位 铣挖头直径 m m3 0 74 0 06 5 06 7 0 第2 页武汉科技大学硕士学位论文 铣挖头宽度 n l l l l5 4 26 2 08 5 0l 0 0 0 一1 2 0 0 铣挖头转速 r m i n9 09 07 2 7 87 0 7 7 流量 l m i n2 5 9 04 0 一1 3 01 3 0 3 0 01 3 0 2 3 0 工作压力 b a r 2 1 0 3 2 02 1 0 3 2 03 2 03 2 0 扭矩n m 1 9 1 3 2 8 4 83 1 9 0 一4 7 5 28 5 0 7 一1 2 7 6 18 8 9 6 1 0 6 8 8 切削力 l 出1 2 4 6 3 1 8 5 5 41 5 9 5 0 2 3 7 6 02 6 1 7 5 3 9 2 6 52 6 5 5 5 3 1 9 0 4 最大抗压强度 m p a 3 03 55 06 0 最大驱动功率k w 3 04 58 07 0 推荐的挖掘机 t1 5 55 1 51 5 2 51 7 2 5 推荐的挖掘机k w 1 3 5 02 0 7 06 5 1 1 06 5 1 1 0 铣挖机型号 e r l 5 0 0e r 2 0 0 0e i b o o oe r 5 0 0 0 技术参数 单位 铣挖头直径 m m 6 7 06 8 08 0 59 1 0 铣挖头宽度 m ml 0 0 0 、1 2 0 0 1 0 0 0 、1 2 0 01 3 3 01 6 0 0 铣挖头转速 r m i n6 0 - 6 56 55 3 6 24 0 4 5 流量 l ，i i n2 0 0 3 8 02 5 0 5 0 03 0 0 5 0 03 5 0 8 0 0 工作压力 b a r3 2 0 3 2 03 2 0 3 2 0 切削力烈 1 6 0 2 1 3 7 62 1 2 4 7 2 s 5 2 l2 8 5 0 0 4 2 8 7 35 0 8 8 0 7 6 3 2 0 扭矩 n m 4 7 7 6 l 一6 3 8 0 96 2 4 9 1 7 5 0 6 27 0 8 0 7 1 0 6 5 1 71 1 1 8 2 4 1 6 7 7 3 5 最大抗压强度 m 【p a8 01 0 01 3 01 7 0 最大驱动功率 k w 1 2 01 4 01 7 02 4 0 推荐的挖掘机 t2 5 4 53 5 4 53 5 6 06 0 1 1 0 推荐的挖掘机 l ( wl l o 1 9 01 3 0 1 9 01 5 0 2 8 02 3 0 3 5 0 1 1 3 国内铣挖机及技术发展概况 目前国内还没有专门的铣挖机研发机构和制造单位，国内铣挖机全部来自德国艾卡特 公司。作为铣挖头设计基础的掘进机截割头设计理论，与国外相比也存在较大差距，目前 我国在截割头设计方面的研究大多采用理论分析方法，如根据国内外已有的截割理论，建 立相应的数学模型和目标函数，对截割头上的一些参数进行优化。也有将计算机辅助设计 技术应用到截割头的研究设计上，建立多目标，更完整的数学模型，通过计算机求解，对 截割头相关参数进行优化。在截割头的研究方面，我国现有水平与世界先进水平仍有差距， 在铣挖头的研究方面更是空白1 7 1 引。 1 1 4 国内其他相似工作机理工程机械研究综述 应明等人在研究测量掘进机截割头截齿空间角度时，提出了一种测量截齿轴线空间角 度的新方法，该方法通过测量截齿轴线上两点的空间坐标位置，通过坐标变换的方法，求 得所需辅助平面上点的坐标，然后根据轴线上两点的坐标以及辅助平面上点的坐标，通过 武汉科技大学硕士学位论文第3 页 解析法求得截齿的空间角度n 引。这是一种测量截齿的空间角度新的方法，截齿的空间位置 同样由三个角度参数决定，这一点与铣挖机一样，将该测量方法进行推导，就能得到这三 个角度参数的空间意义。在确定了这三个角度在空间中的意义后，就能确定截齿轴线的空 间位置，研究这三个角度参数的大小与关系就能指导铣挖机铣挖头的设计。 徐东等人在研究截割头截齿在p r o e 中的安装方法时，介绍了截割头上截齿空间位置 状态以及确定其空间位置所需的参数，并介绍了这些参数间的关系。通过在p r o e 中建立 一些参考平面来确定截齿的轴线位置，从而完成截齿的安装n5 l 。在这个方法中，参考平面 由一个基础平面通过绕不同轴线旋转相应角度得到，所旋转角度即为影响截齿空间位置的 三个角度参数。在这个方法的基础上，通过坐标变换的方式，能更加直观准确的表示这三 个角度参数间的大小与关系。本文将尝试通过坐标变换的方式构建铣挖刀空间位置参数。 麻晓红在研究连续采煤机截割机构截割参数与工作过程的可视化时，通过对连续采煤 机截齿排列原则与形式分析、切削图形形成过程及作用、截齿受力与滚筒载荷模型的分析， 研究了各因素之间的相互关系。在上述研究的基础上，利用v b 6 0 可视化设计系统，编制 相应的软件程序。通过在v b 6 o 可视化界面中输入不同的几何参数和运动参数，完成连续 采煤机截割机构的可视化设计，并输出各种设计参数下是截齿排列图、相应的切削图、截 割机构的载荷和力矩曲线n6 j 。切削图采用建立数学模型的方式，首先确定每个截齿的坐标， 根据截齿的轴线与去进给方向的夹角及煤岩上截槽崩落角的大小，建立崩落线方程。这种 方法是一种纯理论的方法，没有考虑截齿在工作过程中部分参数的随机变化，例如崩落角。 文中主要研究了截割机构的运动参数对切屑图的影响，截齿受力主要是由前苏联建立的镐 形齿受力模型计算，通过数学模型计算的截齿受力是理论值，并没有考虑截齿在运动过程 中，随机因素对受力的影响。文中也是分析了滚筒运动参数对截齿受力的影响，并没有考 虑截割机构本身结构对截齿受力的影响。在文中他对比了模拟与实测的滚筒载荷值，虽然 实测结果与模拟曲线的规律相同，但两者值还有一定差别，这说明理论设计与实际工作受 力还有一定的区别。 刘松在研究横轴式掘进机截割部传动系统动态特性时，通过引用截割头单个截齿和整 体受力的计算方法，确定了掘进机截割部传动系统的负载。应用a d m a s 软件对掘进机截割 部传动系统进行了建模，并分别施加脉冲与正弦负载对其简化系统进行了动态特性仿真分 析m 1 。在这个仿真过程中，截割部受力由人为自定义添加，在一定程度上可以反映真实的 工作状态，但与真实工作状态还存在一定的差别，在真实的工作过程中，存在着各种随机 因素，以及在不同工况下，被截割体本身固有特性对截割头受力的影响。 姬国强在研究采煤机镐形截齿截割过程时，运用l s _ d y n a 软件对煤体的截割过程进行 模拟，在模拟时选择了四种方案：变化截割速度、变换截割厚度、变化截齿锥角及变换安 装角。通过模拟得到了各种截割条件下的三向阻力。通过对截割过程模拟的应力云图动画 分析，展现了截割过程煤体应力分布情况n8 i 。这种方法能较为真实的反映真实的工作状态， 但作者只建立了单齿截割的数值模拟模型，这就忽略了煤岩崩落效应等因素对截齿受力产 生的影响，分析结果对研究单齿受力有较大意义，但如果通过该单齿受力结果来研究截割 第4 页武汉科技大学 硕士学位论文 头的整体受力是由缺陷的。在研究截割头整体以及单齿受力时，应将全部参与工作的截齿 置于同一工况进行数值模拟，这样才能够真实反映截割头在工作过程中整体与单齿的受 力。 汪亮等人在对e b h 一1 2 0 掘进机截割头受力进行动态仿真时，对每个截齿施加3 个分量 的作用力( x ，y ，z ) ，给定值由理论计算公式求得n 引。改研究方法有一定的局限性，人为 规定了在截割头运动过程中相同工作位置的截齿受力相同并且恒定。在实际工作过程中， 由于被截割体本身机械性能的影响，在不同截割位置，以及不同工况下，截齿在3 个方向 上的分量并不是恒定的。 顾秀娟等人研究掘进机截割头平均负荷时，采用数学模型计算截割头的平均负载，这 种方法在截割头的理论设计中有一定的指导意义啪1 。但这种方法忽略了实际工作时是随机 影响因素，也忽略了煤岩本身的机械性能，不能真实反映截割头的工作受力情况。由数学 模型计算出来的受力值在相同参数下是恒定的，这样的计算值与实际工作过程中的受力的 值存在一定的差别。 李晓豁等人在研究横轴式掘进机截割岩石的载荷时，通过建立横轴式掘进机截割头载 荷模型，编制m a t l a b 程序，利用m a t l a b 的g u i 功能，设计了截割头载荷模拟的人机界面 系统，对国产某型横轴式掘进机截割岩石的载荷模型进行了模拟，为了解掘进机截割岩石 的截割头载荷，转矩及功率的大小与变化，掌握掘进机对岩石的适应性，确定横轴式掘进 机的截割能力提供了方便。作者在研究掘进机载荷时，采用数学计算模型，通过给定具体 参数计算出单个截齿在工作时的受力，通过编制程序，将参与工作的截齿受力叠加从而得 到截割头的整体受力m 1 。这个方法在理论设计时是正确的，但忽略了截割头在工作时，煤 岩机械性能以及随机因素的影响，与实际工况有一定差别。 王洪英等人在研究采煤机镐形截齿负荷的数学模型时，建立了镐形截齿2 种不同数学 模型，分析了两种模型的特点瞳副，这对单齿的受力设计打下了一定的基础，但只能部分替 代实际受力。 李晓豁等人在研究掘进机截割硬岩的载荷时，基于硬岩条件下单个截齿的受力，建立 了截割头载荷的数学模型，用m a t l a b 对掘进机截割不同硬度岩石进行了载荷模拟，分析 了截割头载荷特性及功率变化规律。结果表明，随着截割对象接触强度增加，截割头的各 向载荷均呈非线性的剧增趋势，而转矩及功率随之增加，呈线性变化1 。在该研究中，截 齿受力由理论公式求得，能部分反映截齿在工作中的受力，要真实反映截齿的受力，必须 充分考虑岩石的机械性能以及破坏机理。 葛怀挺等人在研究连续采煤机截齿随机载荷时，通过假设单个截齿平均载荷与随机载 荷的关系、截齿的受力分布类型以及硬质包裹体的接触概率，利用叠加原理，建立了在复 杂煤层截割时，连续采煤机上处于截割断面不同位置的截齿的随机载荷的数学模型晗4 l 。该 研究中，随机载荷由编制的程序自动施加，在一定意义上反映了随机载荷对截割头受力的 影响。 姜涛研究板结土壤反旋凿切有限元仿真时，利用a n s y s l s d y n a 软件，利用s p h 法对 武汉科技大学硕士学位论文第5 页 反旋凿切土壤过程进行了三维数值模拟，通过动态仿真过程，得到了反旋凿切刀的受力， 根据受力结果指导反旋凿切刀具刀齿结构的优化乜引。该方法充分考虑了土壤的机械性能， 凿切刀在切削土壤时，土壤结构破坏，土壤反向给凿切刀施加切削阻力。在数值模拟过程 中，凿切刀与土壤的载荷由二者相互施加，这样能真实反映了凿切刀的受力变化。 刘向东在研究p d c 钻头的主要几何参数对其力学性能的影响时，采用p r o e 建立两种 典型p d c 钻头的三维实体模型，利用a n s y s 对p d c 钻头进行有限元分析，对模型在静载作 用下的应力、位移进行了数值分析研究。获得p d c 钻头的主要几何参数对其力学性能影响 的变化规律。在此基础上，对p d c 钻头的主要几何参数进行了优化分析。该研究中，他 分析得出钻头的几何参数对其受力有较大影响。 周明在研究螺旋型旋耕刀辊横刀工作机理时，通过分析旋耕刀辊中关键部件横刀 切削土壤过程的特点，结合弹塑性理论建立了适合于有限元计算分析的模型。运用 l a g r a n g e 增量法来处理土壤切削过程中的几何非线性问题；采用修正的d r u c k e r p r a g e r 非线性弹塑性模型模拟了土壤的切削过程，得到了土壤切削过程中土壤和横刀的应力分 布、切削力和剪切角。仿真阻力和实验测试阻力结果相对误差为1 1 左右，考虑到模型是 在一定假设条件下建立的，因而切削阻力的仿真结果是值得信赖的，对运用有限元法研究 土壤动力学的问题有指导意义。 谭国良在研究链式开沟机刀具优化设计及其切削过程的数值模拟时，利用 a n s y s l s _ d y n a 软件建立了杯形刀片和土壤相互作用的动态模型，运用显示动力学分析了 刀片切削过程，获得了整个切削过程中单个刀片的应力、应变和阻力的实时动态变化情况， 并通过模拟不同的切削速度分析了切削阻力和切削功率的变化规律乜8 1 。 李娟在研究盾构刀具的三维动态仿真时，应该l s - d y n a 对盾构刀具在各种工况下对土 壤是切削过程进行数值模拟汹1 。得到了切削过程中刀具土壤的接触力随切深、刀刃角、 后角、速度等因素改变时的变化规律，其结果与相关理论对比，较为吻合。 宋克志等人在研究t b m 掘进盘形滚刀最优切深动态模糊控制时，提出：刀间距主要根 据岩石的种类与强度确定，软岩强度低，所需推力小，刀间距取较大值；而硬岩强度高， 所需推力大，刀间距取较小值。( 1 ) 若刀间距较大，裂纹只能倾斜的向自由面发展，形成 较小的棱角形碎片，内部裂纹难以相互贯通，不能形成完整的大块岩石碎片，在开挖面形 成突出的岩脊破岩比能较大，破岩能比高；( 2 ) 若刀间距较小，此时，裂纹可以相互贯通， 较长的裂纹将向内部扩展较深，形成过度破碎，碎片尺寸较厚、较短，破岩比能高；( 3 ) 若刀间距靠近最优刀间距，裂纹将基本沿直线扩展与相邻裂纹相遇，距离最短，此时能形 成较为完整的岩片，比能最低啪1 。 李佐民等人在探讨掘进机截割头最佳截线间距时，利用锐利截齿的截割阻力数学模 型，以及设定圆弧段截齿受力相同，通过选取合适参数计算出最佳截线距，这种方法有其 局限性，首先他认为圆弧段截齿受力相同才是最优情况，同时数学模型并不能真实反映实 际工作时截齿的受力口1 | 。文中提到截线间距的选择应考虑煤岩的性质，既要保证相邻截槽 间煤岩的破碎，又要充分利用截槽两侧形成的崩落。 第6 页武汉科技大学硕士学位论文 陈新会在研究采煤机螺旋滚筒主要参数的计算和截齿排列方法时，提出：截齿的配置 应利于采出的煤块多、产生的煤尘少、截割阻力均衡地作用于滚筒上，以提高采煤机的工 作平稳性。为了保证滚筒载荷比较平稳，截齿应均匀分布在滚筒周围。采煤机螺旋滚筒的 截齿配置一般都属于顺序式配置和正常棋盘式配置。顺序式配置时，截齿是以个紧挨着一 个进行截煤，每个截齿( 盘端截齿除外) 受到的朝煤壁方向作用的侧向力。正常棋盘式配 置时，截齿是按一个跳一个的次序进行截煤的，因切屑断面近对称，截齿所受侧向力基本 上能够保持平衡，另外，切屑断面比较大，截割比能耗较低。 因盘端截齿的工作条件接近半封闭截割，故盘端截齿安装得较密，即截距缩小，每条 截线上安装的截齿数增多。盘端上的截齿一般有2 4 组，均匀地分布在盘端的周围。煤质 坚硬时截齿和分组数可以多些。每组截齿中，截齿的倾角应顺着滚筒转向从小到大一次排 列，以使各截齿受力均匀。一般每组有5 7 条截线，其中0 。齿一个，向煤壁倾斜的截齿 2 6 个，最大倾角可达4 0 。，以防止盘端接触煤壁；向采空去倾斜的负倾角截齿一个，倾 角一般为一2 0 。一3 0 。，以平衡掉一部分的滚筒朝采空区作用的轴向力刽。 刘志国等人在研究横轴式切割头截齿的合理配置方式时，综合分析了a m 一6 5 型掘进机 切割头截齿的配置方式，针对切割头部同部位切割工况的差异采用不同截距，合理确定截 齿的空间角船1 。 截距是截齿配置的一个重要参数，其确定原则是力求实现最佳截割效果，减小单齿受 力、能耗和粉尘量，确定截距时所考虑的主要因素是煤岩性质及切屑厚度。由于实际切割 时两者的多变性，设计时的理论最佳截距很难实现。实际上，应在充分考虑切割头不同部 位工况差异的基础上来确定截距。横摆切割时，切割头左端截齿的截割条件差，截割阻力 大，切割半径小，单齿受力大，应采用较小的截距来增加截齿数，以减小单齿受力；切割 头主体部分的截齿承受着主要的切割任务，应增加截距，以提高切割效率；右端的截齿只 在掏槽时参与截割，磨损次数少，为缩短掏槽时间( 增加切割量) ，亦应采用较大的截距， 所以，切割头左端截距小，右端截距较大，中间截距最大。在确定截距的具体数值时还应 考虑所切割的煤岩性质等因素。对使用一段时间后的a m _ 6 5 型切割头截齿及齿座的磨损量 检测表明：主题部分截齿的磨损量比左端截齿的磨损量大很多，说明主体部分截距过大， 导致截齿受力偏大，应适当降低。所以，在设计确定截距时，除了理论分析外与计算外， 还应在模拟切割中加以验证和调整。 在上述研究人员提出的理论中，既有研究掘进机截齿空间位置，也有研究采煤机、掘 进机、盾构机和旋耕机刀齿或整体受力，同时有研究截线间距对盾构机、掘进机和采煤机 工作受力的影响。在上述的确定掘进机截齿空间位置的方法的基础上，将讨论铣挖刀排列 参数和空间位置参数间的关系，并尝试运用坐标变换的方式，将铣挖刀的排列参数和空间 位置参数通过位置和角度变换表现出来。在上述采煤机、掘进机、盾构机和旋耕机刀齿或 整体受力的研究中，多数分析中，刀齿或整体的载荷是由公式计算得出，只有部分是通过 构建工作过程的动态仿真来获得刀齿或整体的受力。通过公式计算出的载荷只能在一定程 度上反映实际工作中的受力，理论计算值与真实值有较大差别，但通过动态仿真的方式获 武汉科技大学硕士学位论文 第7 页 得的受力能够更加真实的体现实际工作中的受力，因为动态仿真充分考虑了被切割体的机 械性能，对于岩石材料，更加反映了岩石崩落效应对刀齿受力影响。在分析铣挖机铣挖刀 受力时，采用动态仿真的方式更合理。在上述截线间距对盾构机、掘进机和采煤机工作受 力影响的研究中，指出截线距对刀齿受力有很大影响，截线距的选取直接影响能否良好利 用岩石本身的崩落效应。铣挖机主要应用于隧道与路面施工，工作对象多为岩石或混凝土， 这两种材料都有崩落效应，因此在研究铣挖机铣挖刀受力时，要研究铣挖刀刀尖轴向间距 去铣挖刀受力的影响。 1 2 论文研究的目的与意义 铣挖机在各种铣挖工程、建筑物拆除、混凝土清除、隧道掘进、渠道沟槽施工、水利 工程、林业和冶金工业等领域得到了广泛的应用。铣挖头是铣挖机的重要组成部分，直接 参与铣挖，占了整机大部分功耗。铣挖头上的结构参数众多，这些参数之间又相互关联、 制约和影响，在设计中要相互匹配、综合考虑，参数选取不合理将直接影响铣挖机的工作 效率、可靠性和经济效益。通过对铣挖头的研究，为国内铣挖机的研发制造提供一定的理 论依据。 本论文研究以德国艾卡特e r l 5 0 0 型横向铣挖机为蓝本，通过理论研究建立铣挖头各 结构参数的数学模型，完成铣挖头的虚拟样机设计；应用数值模拟技术对铣挖刀和铣挖刀 座进行分析，选取铣挖刀最优切削角；应用数值模拟技术对铣挖头铣挖岩石过程进行分析， 分析结果指导对铣挖头的优化。本论文的研究对铣挖头的设计及优化起到一定的促进作 用。 1 3 论文研究的主要内容 本论文以德国艾卡特e r l 5 0 0 型横向铣挖机为设计蓝本，建立铣挖头结构参数的数学 模型，以p r o e 为建模工具，完成铣挖头的虚拟样机设计；以p r o m e c h a n i c a 为分析工具， 在计算机中对不同铣挖工况下的铣挖刀及铣挖刀座进行模拟，分析结果指导铣挖刀最优切 削角的选取；以h y p e m e s h 、a n s y s l sd 、i a l o 0 为分析工具，在计算机中对铣挖头横 向铣挖和钻进铣挖两种工况进行模拟，分析模拟结果指导铣挖头铣挖刀刀尖轴向间距的优 化。论文主要内容包括以下几点： ( 1 ) 铣挖头安装参数的数学模型 通过空间几何分析，确定铣挖头各结构参数间的关系，建立各参数的数学模型。 ( 2 ) 铣挖刀最优切削角的研究 在p m e 中建立铣挖刀和铣挖刀座的三维模型；然后将模型导入p r o m e c h a l l i c a 分析软 件中，建立铣挖刀铣挖岩石的数值模拟模型：通过对铣挖刀不同工况下铣挖的数值模拟， 得到铣挖刀不同切削角下的受力情况；对受力情况进行统计分析，从而选取最优切削角。 ( 3 ) 铣挖头铣挖岩石的数值模拟 在p r o e 中建立铣挖头与岩石的三维模型；然后将模型导入h y p e m e s h 软件中，划分 模型网格、建立铣挖头铣挖岩石数值模拟模型；编写l sd y n a 运行k 文件，最后将编写 第8 页武汉科技大学硕士学位论文 好的k 文件导入a n s y s l sd y n a l o o 动态分析软件中进行分析计算；计算完毕后，对 模拟结果进行后处理，得到铣挖头铣挖岩石时各铣挖刀所受外力情况，并对各铣挖刀受力 进行统计分析。 ( 4 ) 铣挖刀刀尖轴向间距的优化 通过分析和对比各铣挖刀受到的外力情况，调整铣挖刀刀尖轴向间距，使各铣挖刀受 到外力差异减小。通过多次调整和铣挖模拟、对比分析，得出较优的设计方案。 1 4 本章小结 本章介绍了铣挖机的一些基本特点，阐述了本论文研究的背景和意义，介绍了铣挖机 设计领域的发展情况，根据铣挖机特点以及论文研究的背景，确定了本论文的研究内容和 技术路线，为本论文的研究工作打下了基础。 武汉科技大学硕士学位论文第9 页 第二章铣挖刀布局数学模型研究 铣挖头结构复杂，影响铣挖刀安装布置参数众多，各参数问又相互影响、相互关联， 各参数取值直接影响到铣挖机的各项工作指标。本章将从各参数的空间意义出发，通过空 间坐标变换的方式，将其统一到一个数学模型中，为铣挖头的结构设计打下基础。 2 1 铣挖刀和铣挖刀座空间姿态 在铣挖机设计中，铣挖头设计是重点内容，它包括铣挖刀安装参数、铣挖头包络曲面、 铣挖刀刀尖轴向间距和螺旋头数等关键几何的确定。铣挖刀安装参数直接影响铣挖机的铣 挖性能泓1 。 2 1 1 铣挖刀安装参数 铣挖刀和铣挖刀座的安装参数决定铣挖刀的空间位置及方向，确定刀尖位置的同时还 要确定铣挖刀的三维空间角度参数( 倒角鼻、转角口和仰角，) 。 倒角夕是铣挖刀座绕铣挖刀轴线旋转的角度，用来调整铣挖刀座与轮毂之间的接触， 倒角直接影响铣挖刀座底面与铣挖毂表面之间的配合，并对铣挖刀座的焊接产生很大影 响。 转角口是铣挖刀中心线与通过铣挖刀座支承面中点的切线投影线之间的夹角，它是为 了使铣挖刀在铣挖过程中形成一力矩，使铣挖刀在铣挖刀座中产生自转，达到铣挖刀均匀 磨损的目的。铣挖刀位置不同，转角大小不同，一般在8 。一3 5 。之间嘶1 。转角同时直接影 响铣挖刀的切削角。 仰角j ，是铣挖刀在实际位置上时与在参考位置上时铣挖刀轴线之间的交角，参考位置 是铣挖刀座底面线与刀尖处切削轨迹的切线相平行时的铣挖刀位置。仰角的作用主要用于 调整铣挖刀的切削角，直接影响铣挖刀的受力，确定不同仰角使各铣挖刀具有相同切削角。 2 2 铣挖刀安装参数设计方法 铣挖刀和铣挖刀座安装参数设计的目标是：使铣挖头满足铣挖刀排列设计要求；o 使各铣挖刀具有实现最佳铣挖的空间姿态；0 各铣挖刀座与铣挖毂表面配合可行并合理。 铣挖刀的安装参数分布于三维空间，常规设计方法难以实现。为此，采用空间坐标变 换的方法进行设计口6 。骝】。 2 2 1 坐标系设置 假设将铣挖刀和铣刀座固结成一实体，并基于该实体建立一空间坐标系o x y z 。坐标原 点o 在刀尖处，y 轴过铣挖刀轴线，x o y 平面过铣挖刀座中心平面，如图2 1 所示。对铣 挖刀和铣挖刀座的空间姿态调整可以通过对该空间坐标系的变换来实现。 第1 0 页武汉科技大学硕士学位论文 y n y n 图2 1 铣挖刀上的空间坐标系 2 2 2 坐标变换过程 按照设计参数将铣挖刀和铣挖刀座安装到铣挖毂上。刀尖位置由铣挖刀排列参数确 定，空间姿态由倒角p 、转角口和仰角y 确定。 坐标变换过程如下： ( 1 ) 建立铣挖头坐标系批，刀尖位置用高度氖半径，和口角三个参数表示； ( 2 ) 建立归一化坐标系y 。z 。，使刀尖落在以。平面内； ( 3 ) 置入假设坐标系五m z 。，使坐标原点位于刀尖设计位置，并使它的各坐标轴与归一 化坐标系对应坐标轴同向，如图2 2 ( a ) 所示； ( 4 ) 坐标系x 。y 。z 。绕y 。轴旋转夕角得到x 2 y ：z ：坐标系，夕角为铣挖刀倒角，夕角的实际 意义即为铣挖刀座绕铣挖刀轴线旋转的角度，如图2 2 ( b ) 所示； ( 5 ) 坐标系吃耽z 2 绕吻轴旋转口角得到屯y ，z ，坐标系，口角为铣挖刀转角，口角的实 际意义即为铣挖刀中心线与通过铣挖刀座支承面中点的切线投影线之间的夹角，如图2 2 ( c ) 所示； ( 6 ) 坐标系屯y 3 2 3 绕z 3 轴旋转y 角得到z 。y 。z 。坐标系，y 角为铣挖刀仰角，r 角的实 际意义即为铣挖刀在实际位置上时与在参考位置上时铣挖刀轴线之间的交角，参考位置是 铣挖刀座底面线与刀尖处切削轨迹的切线相平行时的铣挖刀位置，如图2 2 ( d ) 所示； 在坐标变换过程中，铣挖刀刀尖点位置始终保持不变，经过变换，铣挖刀空间姿态确 定。 武汉科技大学硕士学位论文第1 1 页 ( a ) ，一 z ( c ) 2 2 3 坐标变换运算 一。 y n a 【j 】f i i l i t ee l e m e n t sma n a i y s i sa i l dd e s i 乒，2 0 0 0 ，3 6 ( 2 ) ：9 9 一1 3 3 【4 】d k a r a 舀o z o v a r a w ：m i n e s ，h i l p a c to fa i = r c r a rr u _ b b e r 锣r e 白l g n l e n t so na l u m i i l i u ma l l o y p l a t e s ：i i - n 啪丽c a ls i m l l l a t i o nu s i n gl sp y n a 【j 】i n t e r i l a t i o n a lj o 啪a lo fi m p a c t e 姆n e e 血2 0 0 7 ，3 4 ( 4 ) ：6 4 7 - 6 6 7 5 王金喜国外掘进机设计概述 j 山西煤炭管理干部学院学报，2 0 0 7 ，5 7 ( 2 ) ：卜2 6 】a nw 葫，l u ) ( i n ，w e ir e n - z l l i v b r a t i o nc o n 们lo nr 0 a d l l e a d