（机械设计及理论专业论文）纵轴式掘进机钻进工况及其参数化的研究.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 钻迸工况是纵轴式掘进机的重要工况之一，对掘进机的工作性能、生产 率等有很大的影响。本文通过对已有的切屑厚度的计算方法的分析，提出了 截齿在钻进工作切屑厚度的计算方法，建立了截齿在钻进截割过程中的力学 模型，锝到了截割头载荷的计算方法，分析了截割头载荷，研究各参数对掘 进机钻进过程的影响，利用m a t l a b 优化箱中的遗传算法，以掘进机钻进时 间最短、载荷波动小为优化目标建立优化模型，对截割头结构参数和运动参 数进行优化设计，找到钻进工作时最佳的钻进参数，为今后掘进机的设计研 究打下基础。 关键词；纵轴式掘进机；运动；参致；切屑厚度：切屑图 模拟：载荷；优化 本论文内容选自：辽宁工程技术大学科学研究基金项目：掘进机动力学行为研究 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed r i l l i n gc o n d i t i o ni so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tw o r k i n g c o n d i t i o n so fl o n g i t u d i n a la x i a lr o a d h e a d e r ，i tw i l lm a k e s t r o n g i m p a c to nt h ew o r k i n gc a p a c i t ya n dp r o d u c t i v i t yo fr o a d h e a d e r i nt h i s p a p e r ，a f t e ra n a l y z i n ge x i t i n gc a l c u l a t i o nm e a s u r eo fd r i l l i n g t h i c k n e s s ，t h ec a l c u l a t i o nm e a s u r eo fd r i l l i n gt h i c k n e s sw h e np i c k i sd r i l l i n gi n i sp u tf o r w a r d ，t h em e c h a n i s t i cm o d e lo ft h ep i c k d r i l l i n gi nise s t a b l i s h e d ，a n dt h ec a l c u l a t i o nm e t h o do ft h el o a d o ft h ec u t t i n gh e a di so b t a i n e d t h e nt h i sm e t h o di su s e dt oa n a l y z e t h el o a do fc u t t i n gh e a d ，a n de a c hp a r a m e t e r si m p a c t so nt h ep r o c e s s o fd r i l l i n gi na r es t u d i e d a tl a s t ，u s i n g ”m a t l a b ”p r o g r a m ，a o p t i m a lm o d e lw h i c ha i m e da tt h es h o r t e s tt i m e ，a n dt h es m a l l e s tl o a d f l u c t u a t i o no ft h ec u t t i n gh e a d ，i se s t a b l i s h e d ，t h i sm e a s u r ec a nb e a p p l i e dt oo p t i m i z es t r u c t u r ea n dm o t i o np a r a m e t e r so fc u t t i n gh e a d ， t of i n dab e s td r i l l i n gp a r a m e t e r so ft h ep r o c e s so fd r i l l i n gi n ，a n d i th a s1 a yaf o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no fr o a d h e a d e ri nf u t u r e k e y w o r d s ：l o n g i t u d i n a la x i a lr o a d h e a d e r ，m o t i o np a r a m e t e r s ，d r i l l i n g t h i c k n e s s ，c u t t i n gp a t t e r n ，s i m u l a t i o n ，l o a d ，o p t i m i z e 辽宁工程技术大学硕士学位论文 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研 究工作及取得的研究成果： 根据对苏联学者截齿切屑厚度的计算方法的分析，本文提出了 利用截齿切屑图来计算截齿在钻进过程中的切屑厚度的计算方法， 此方法计算截齿的切屑厚度更接近实际的值，并且讨论了各参数对 切屑厚度的影响，为计算截割头上的载荷提供了依据。 以镐形齿破煤理论为基础，建立了纵轴式掘进机在钻进工作时 截齿的受力模型，得到截割头载荷的计算方法，通过m a t l a b 编 程模拟出钻进过程中截割头载荷，分析了钻进各参数对载荷的影 响，找到最佳的钻进工况。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：丝堕整日期：墨幽 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1绪论 1 1纵轴式掘进机钻进工况研究现状 掘进机是煤矿掘进巷道重要设备，它的发展使得矿井巷道的掘进速度和 效率大幅度提高【1 扪。掘进机工作分为钻进过程和截割过程，国内外的专家 学者大多都着眼于摆动截割这一工况，常常忽视了钻进工况，虽然钻进工况 在整个截割工作过程中所占的时间比例极小【4 】，但是，它是保证掘进机能否 完成摆动截割的开始，所以是很重要的工况，具有重要的研究价值。由于钻 进工况比较复杂，现在研究的学者还不多，现在国外这方面的研究也不多， 国内只有山东科技大学的张鑫教授和辽宁工程技术大学的李晓豁教授对其 有些研究，均对钻进工况截割头载荷进行计算机模拟 山东大学学者研究钻进工况载荷时，应用苏联学者建立的截齿的切屑厚 度计算方法求出切屑厚度，这种切屑厚度的计算方法是理想状态下的，并且 从摆动截割来分析对比考虑的。本文对已有学者的研究成果进行分析，提出 了钻进工作时截齿切屑厚度的算法，建立截齿力学模型，模拟出截割头载荷， 分析钻进参数对其影响，利用m a t l a b 工具箱中的遗传算法优化截割头的 载荷。 1 2 课题研究的目的和意义 掘进机的工作过程分为钻进和摆动两种截割工况，钻进工况是掘进机工 作的一部分，虽然占掘进机整个工作时问的比例较小，但它却是掘进机截割 过程的开始。如果掘进机不能有效地钻进，就无法实现正常的摆动截割。因 此该工况是掘进机能否实现截割的关键。所以，研究掘进机钻进工况具有重 要的意义 1 3课题研究的主要内容 本课题主要研究的内容有： 第一部分：通过分析纵轴式部分断面掘进机在钻进时的运动分析，建立 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 单个截齿的运动曲线方程，导出其速度和加速度的方程，为后面利用计算机 模拟速度、加速度的图像提供依据。 第二部分：通过对运动轨迹的分析，建立截齿截割崩落线方程，利用 m a t l a b 编程，根据相邻截齿进入煤壁后崩落线与煤壁的交点，判断截槽崩 落线的交点，连接交点与齿尖，得到截槽的形状，进而可画出截割头钻进时 的切屑图，分析各参数变化对切屑图的影响，在钻进工作中要合理选择。 第三部分：分析已有截齿切屑厚度的计算方法，提出利用截齿在钻进过 程中形成的切屑图来计算截齿的切屑厚度的新方法，使截齿切屑厚度的计算 更接近实际。进而分析钻进各参数对切屑厚度的影响，要选择合理的钻进参 数。 第四部分：根据截齿切屑厚度的计算方法计算截齿在钻进工作时的切屑 厚度，找到截齿在钻进时的力计算模型，就得到截割头钻进工作时的载荷确 定方法，借助m a t l a b 语言编程，对截割头钻进工况载荷进行模拟，并分 析各参数对载荷的影响。 第五部分：利用i i a t l a b 优化箱中的遗传算法，对钻进工况进行优化设 计，找到合理的钻进工况，同时达到钻进时间最短、载荷波动小的目的。 里! 三墨垫整堂堡主兰焦堡塞二 2掘进机钻进过程截割头运动分析 2 1钻进时截齿的运动轨迹 掘进机在钻进时，截割头做纵向进给运动。截割头绕自身旋转和轴向推 进合成运动截割头在绕自身轴旋转的同时，在伸缩机构的作用下，沿其轴 线方向向前推进，这时，截割头上的每个截齿随截割头做纵向推进，并绕其 轴线回转。分析表明，截割头每个截齿的齿尖运动轨迹是三维空间螺旋线 【5 l 们，如图2 1 所示e 图2 - - 1 截齿齿尖的兰维空何螺旋线轨逐 图中y 坐标为截割头旋转轴线，x 坐标为旋转半径，节距为s s ：生( 2 - - 1 ) 力 式中：珞一截割头轴向推进速度，m m i r a n 一截割头转速，r a d m i n ； 由此可见，掘进机在钻进过程中，因位置不同，截割头上的截齿会形成 若干个半径不同的螺旋线取任一半径为r 的截齿为例，在f = o 时，其位置 为，当截割头转过口：国r 后，该点移动到r l , ，在截割头纵向推进后，该点 移动到m ，则m 。肘即为该点运动经时间r 后的一段螺旋线轨迹，如图2 2 所示 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 图2 - 2 截齿齿尖钻进运动轨迹 利用柱坐标来列出经时间，后，m 点的运动轨迹的参数方程 工= ，s i n ( 国n j ，= 啊= 击协，( 2 2 ) ：= ，- c o s ( 国- o 式中：国一一截割头的旋转角速度，国= 2 万刀6 0 ，r l m i n ； ，一一截齿齿尖回转半径，m m ： r 一一运动时间，s ： 2 2钻进时截齿速度的方程 将上述螺旋线的参数方程对时间t 求导得出速度方程 f 巧= 獗丽巧歹= 扩研 jc o s ( ，力= ，加e o s ( o ”：竺! 业：竺：+ 曙 ic o s 彤p ，力= v , ，2 口：二堕 卜s 孵，z ) = - - r 伽s i n ( o 口t ) r 2 2 + 瑶 ： 加 一 御卜巧叮 = 一 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 2 3钻进时截齿加速度的方程 将上述螺旋线的参数方程对时间求二阶导数得出加速度方程 f 口，= a ：+ + = ，2 jc o 如，力2 一s i n ( 国( 2 6 ) i c o s ( a p ，力= 0 i c o s ( a p ，力= 一c o s ( 0 从上述方程看到：截割头上截齿齿尖的速度圪的大小与截割头轴向钻进 速度、截齿齿尖回转半径、截割头的旋转角速度有关，在截割头轴向钻进速 度和截割头的旋转角速度一定的情况下，截齿的速度l 随回转半径变化而变 化，越靠近截割头大端处的截齿，回转半径越大，齿尖的速度也越大。还可 以看出其方向是沿着各自运动轨迹的切线，并与y 轴所夹的角度保持不变。 截齿齿尖的加速度的大小与半径和截割头旋转的角速度有关，在截割头 旋转的角速度一定的情况下，半径r 越大，加速度也越大。加速度矢量在x z 平面内，方向指向y 轴 通过分析纵轴式部分断面掘进机钻进运动，建立了单个截齿的运动曲线 方程，导出其速度和加速度的方程。 = 。卿 矿慧 吖 吖 = = 一心一b 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 2 4钻进过程中截齿运动模拟 可见，钻进过程中截齿的轨迹是沿y 轴方向以圪运动的空间螺旋线如 图2 3 所示： z 图2 3 钻进时截齿齿尖实际轨迹 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 3 钻进工况中截齿截割过程的切屑图 3 1切屑图模拟方法 掘进机在钻进过程中，截齿自楔入煤壁后始终处于截割状态，运动轨迹 为空间的螺旋线，根据上章对运动分析，找到截齿齿尖在空间的位置，利用 相邻截齿进入煤壁后崩落线与煤壁的交点，判断截槽崩落线的交点，连接交 点与齿尖，就得到截槽的形状，进而可画出截割头钻进时的切屑图。如图3 - 1 所示，点4 ( 而，y 1 ) 为前一截齿的齿尖坐标，点钆( k 。，) 为截齿截割时右 崩落线与煤壁的交点，点口( h ，y 。) 为后一截齿进入煤壁的齿尖坐标，点 c ( ，y 。) 是后一截齿左崩落线与煤壁的交点，利用m a t l a b 求出线段4 ；4 + ，与 b c 的交点0 ，把它与分别与截齿齿尖相连，即为截齿的左崩落截槽一侧形 状，同样方法求得右侧截槽，从而确定截齿截割的截槽形状，图3 1 中妒为 煤岩崩落角 图3 - 1 相邻截齿钻进时崩落线交点 3 2钻进截割崩落线交点的确定 利用参数方程写出4 4 + 。与b c 的方程，求出交点q 的坐标，4 4 。的参数方程n 11 ”： x = 一+ ( 葺“一而? ，l ( o sr ，1 ) ( 3 一1 ) y = y l + b | n y 1 ) t l 1 占c 的参数方程为：x = x 。c ：粤一翟) 、f 2 ( o t 2 1 ) ( 3 2 ) y = y c 七u 8 一y c ) t 2 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 令线性方程；4 ：l 哆i _ ! 一一) l ( 3 3 ) j o h 一乃) 一o 一) | 4 。时，求出，i = 去陵：嚣一- 饥( x n - 一x c ) ) l , t 2 - - - - 口 i ! x l + t 一- - 以x t ；二凄二到，带入4 如与 b c ，确定有一个交点的条件是瓴，1 2 ) 【o ，1 】【o ，1 】，满足上述条件，把f l ，f 2 带入 方程( 3 1 ) 或( 3 2 ) 中，求出交点坐标。相邻截齿崩落线相交，将交点 与截齿齿尖连线就形成了截齿的截槽，从而得到掘进机钻进时的切屑图。 3 3利用m a t l ! l b 进行模拟及其结果分析 3 3 1模拟过程中基本参数 本文对国产某型纵轴式掘进机的钻进过程进行模拟，该机主要参数如下 14 1 6 1 ：截割头小端直径而= 4 1 4 m m 、大端直径也= 7 8 0 m m 、长1 = 7 0 0 r a m 、过渡 圆弧的半径r o = 2 4 7 m m ，截齿在截割头上的分布如下表3 1 所示，截线距1 号4 0 r a m ，2 、3 号3 5 m m ，4 9 号2 5 m m ，1 0 2 4 号2 3 6 r a m ，2 5 2 7 号2 0 r a m ， 2 8 4 2 号2 5 m m 并且一下几章均在下面截齿排列方式下进行讨论的。 表3 1 某国产纵轴式掘进机截齿捧列 截齿轴截齿轴 齿尖距线与回 齿尖在齿尖在 大端面齿尖半转平面 锥面的 齿尖距线与回 锥面的 截齿号位置角 大端面 齿尖半 转平面 位置角 的距离 径 的夹角截齿号的距离 径 的夹角 1 m置m | f m r m 妒 98 l7 0 04 0 09 03 5 02 25 2 13 4 0 01 6 81 9 0 2 7 0 07 5 0 9 0 1 7 02 35 2 13 4 0 0 1 6 8 1 0 37 0 01 1 0 09 0 8 0 2 45 0 23 5 2 21 5 41 5 46 9 11 3 3 58 4 22 6 02 54 8 23 5 7 51 5 42 1 0 5 6 8 5 1 5 6 97 8 41 4 02 6 4 6 33 6 2 8 1 5 44 5 66 7 71 8 0 5 7 2 6 3 2 02 74 4 43 6 8 21 5 4 2 4 0 76 7 12 0 4 0黼81 9 02 84 2 03 7 4 91 5 47 5 8 6 6 3 2 2 7 56 1 01 52 93 9 6 3 8 1 5 1 5 42 7 0 96 5 62 5 0 9 5 5 2 2 3 5 3 0 3 7 23 8 8 2 1 5 4 1 0 5 1 06 3 72 6 3 64 9 76 03 13 4 83 9 4 81 5 43 0 0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 1 l6 3 7 2 6 3 64 9 72 4 03 23 2 34 0 1 51 5 41 3 5 1 26 1 72 7 6 3“22 8 03 3 2 9 94 0 8 11 5 43 3 0 1 36 1 72 7 6 34 4 21 0 03 42 7 54 1 4 81 5 41 6 5 1 45 9 82 8 9 03 8 81 0 53 52 5 14 2 1 41 5 43 6 0 1 55 9 82 8 9 03 8 82 8 53 62 2 74 2 8 o 1 5 41 9 5 1 65 7 93 0 1 63 3 33 1 53 72 0 34 3 4 71 5 43 0 1 75 7 93 0 1 63 3 31 3 53 81 7 94 4 1 41 5 42 2 5 1 85 6 03 1 4 22 7 81 4 53 91 5 54 4 8 01 5 46 0 1 95 6 03 1 4 22 7 83 2 54 01 3 14 5 4 71 5 42 5 5 2 05 4 03 2 6 92 2 33 4 54 11 0 74 6 1 31 5 49 0 2 1 5 4 0 3 2 6 92 2 3 1 6 5 4 2 9 5 4 6 8 01 5 42 8 5 o 酣钟1 2 0t 卯1 1 0 2 1 0 2 a o2 7 03 0 03 3 0 姗 图3 2 截齿捧列图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l o 3 3 2煤岩性质( 崩落角) 发生变化时 掘进机在钻进速度珞= 1 6 7 m s 、转速玎= 4 6 r n i n 不变，煤岩崩落角变化时对切 屑图的影响，如下图3 - - 3 所示： 矿= 4 5 ( b ) 尹= 6 5 9 围3 3 不同煤岩崩落角时的切屑图 从图3 3 可以看出，煤岩的性质( 崩落角) 对截槽的形状影响较大。 煤岩脆性大时，崩落角大，截槽的形状有很大改变，煤岩的块度不均匀，这 样，在钻进截割过程中，块度不均，过大的煤块易造成堵塞，出现闷机的现 象，同时细小的煤岩粉尘过多，使环境条件变差。 3 3 3钻进速度发生变化时 掘进机崩落角= 4 5 。，转速一= 4 6 r r a i n 不变，钻进速度发生变化时对切屑 图的影响，如下图3 - - 4 所示： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( a ) 以= 1 6 7 m s) 圪= 3 3 3 m s 图3 4 不同钻进速度时的切屑图 由图3 - - 4 可见，随钻进速度增加，截齿的切屑厚度和煤岩的块度增大， 产生的粉尘减少截齿的截割阻力增加，若钻进速度过大，截割阻力过大， 可能导致截割头无法钻进开切，影响掘进机正常工作。反之，如果钻进速度 太小，虽然使截割阻力减小，但可能使截齿与煤岩处于研磨状态，截割块度 小，形成的粉尘大( 见图3 - - 4 a ) ，而恶化工作面环境，不利于工人的健康。 3 3 4 转速发生变化时 掘进机崩落角矿= 4 5 。、钻进速度圪- - 1 6 7 m s 不变，转速发生变化时对切 屑图的影响，如下图3 - - 5 所示： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( a ) i = 2 5 r r a i n ( b ) 1 = 4 6 r r a i n 图3 5 不同转速时的切屑图 从图3 5 中可以看出，( 见图3 5 b ) 当截割头转速增加，截齿的切 屑厚度降低，截槽变浅，截割阻力小，同时块度小，但截齿切屑的块度变小， 导致工作过程中粉尘增多，工作条件恶化；而转速低( 见图3 5 a ) ，切屑 厚度大，截割阻力大，消耗的能量就大，因此不利于钻进截割。 3 3 5 截齿排列方式不同 ， 掘进机在钻进工作过程中，截割头设计中截齿捧列是设计中重要的部分 之一，截齿在截割头上安装的周向角、安装倾斜角、安装的位置、螺旋叶片 头数等参数，对切屑图都有影响，如果其中一些参数取值不当，截齿切屑下 来的截槽形状即截齿切屑图就不规则，那么，截齿的受力、切屑下来的块度、 粉尘的多少等都会受到影响，这些都能在切屑图中反应出来。所以，要考虑 截齿排列对切屑厚度的影响。 下面给出了上述型号掘进机在截割头几何尺寸i l 钉：截割头小端宣径 盔= 4 1 4 r a m 、大端直径畋= 7 3 8 m m 、长j = 7 1 2 m m 、过渡圆弧的半径r o = 2 4 7 m m ， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 相同和截齿数目不变的条件下，下表3 - - 2 中截齿捧列的截线距：1 号截线距 为4 0 m m ，2 、3 号截线距为3 5 m m ，4 1 5 号截线距为3 4 6 m m ，1 6 1 9 号截线 距为2 0 m m ，2 0 2 3 号截线距为1 7 5 m m ，2 4 4 1 截线距为4 0 m m ，4 2 截线4 2 m m 下面讨论了截齿捧列方式上有差异的情况下，对切屑图的差异，为今后设计 截割头上的截齿排列打下基础。 上j 2 4 m 3 7 o 3 0卯9 01 2 01 5 01 8 02 1 02 4 02 7 03 0 03 3 03 6 旷 图3 6 截齿排列图 表3 2 截齿捧列参数 截齿轴 齿尖在 截齿轴 齿尖在 齿尖距 齿尖半 线与回齿尖距线与回 锥面的 大端面 转平面 锥面的 齿尖半 转平面 截齿号径位置角截齿号 大端面 径位置角 的距离的夹角的距离的夹角 j m r 衄置m ，m 移 17 0 04 0 09 00 2 24 5 83 6 11 5 0 2 8 5 辽宁工程技术大学硕士学位论文 27 0 07 5 09 01 8 02 34 4 03 6 61 5 o 1 2 0 37 0 01 1 0 09 08 72 44 4 03 6 61 5 o3 1 5 46 9 81 4 58 32 7 02 54 0 03 7 71 5 01 5 0 56 9 01 8 37 3 51 4 02 64 0 03 7 71 5 03 4 5 66 9 0 1 8 37 3 5 3 2 02 73 6 0 3 8 71 5 01 8 0 76 7 62 2 06 4 21 8 12 83 6 0 3 8 7 1 5 0 1 5 86 7 62 2 06 4 212 93 2 03 9 81 5 o2 1 0 96 5 62 5 3 5 4 9 2 1 73 03 2 0 3 9 81 5 o4 5 1 06 5 62 5 35 4 93 73 12 8 04 0 91 5 0 2 4 0 1 16 3 12 8 3“62 5 53 22 8 0 4 0 9 1 5 o7 5 1 2 6 3 1 2 8 3“6 7 53 32 4 0 4 1 91 5 o2 7 0 1 36 0 23 0 93 6 33 0 53 42 4 04 1 91 5 o1 0 5 1 46 0 23 0 93 6 31 2 53 52 0 04 3 01 5 o3 0 0 1 55 8 63 1 93 1 6 3 4 53 62 0 0 4 3 01 5 o1 3 5 1 65 6 93 2 92 7 o1 6 53 71 6 04 4 l1 5 o 3 3 0 1 75 5 13 3 72 2 32 53 81 6 04 4 11 5 o1 6 5 1 85 3 33 4 41 7 62 0 5 3 9 1 2 04 5 11 5 o0 1 95 1 03 4 71 5 o6 04 01 2 04 5 11 5 o1 9 5 2 04 9 33 5 21 5 o2 5 54 18 04 6 21 5 03 0 2 14 7 53 5 61 5 o9 0 4 2 8 0 4 6 21 5 02 2 5 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图3 7 同一截割头不同截齿捧列方式 从同一截割头上看到，不同截齿捧列方式图3 7 ( a ) 过渡圆弧段一线 两齿，图3 7 ( b ) 中中间一线一齿，截齿切屑后形成的截槽就不同，如果 截齿捧列参数选取的比较合理，那么得到截槽规则，截齿受力就好，煤岩块 度均匀，利于排屑，不易出现粉尘过多等的现象所以，截齿排列在截割头 设计中，是很重要的设计环节，为了能得到好的截割工况，必须找到合理的 截齿捧列方式。 从模拟得到的几种情况下的切屑图( 图3 - 2 图3 - 7 ) 还可以看出，掘进 机截齿摔列和钻进时的参数对钻进过程的影响，在设计和操作掘进机时，必 须考虑到他们的影响，才能找到合理的钻进工况。 3 4结论 利用m a t l a b 模拟的结果可以清楚的看出截齿的截槽形状、钻进时截齿 切屑的块度等，由此可以分析煤岩性质( 崩落角) 、钻进速度、截割头转速、 截齿排列对钻进工况的影响，为根据不同煤岩情况，合理的确定掘进机钻进 时的参数、保证掘进机良好的钻进工况提供了直观、有效的方法和手段。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 6 4 钻进过程切屑厚度的计算及模拟 因为掘进机在钻进工作时截齿受力的大小与切屑厚度有很大的关系，本 文从掘进机在钻进时形成的切屑图来考虑，得到截齿在钻进过程中的切屑厚 度的计算方法。 4 1 已有计算切屑厚度的方法 苏联学者在计算截齿的切屑厚度时，考虑到截齿倾斜角屈对切屑厚度的 影响，各截齿的切屑厚度可由如下公式计算【1 7 。2 1 j ： ：f 咖屈：1 0 0 0 - v gs i n 尼( 4 一1 ) 月m 式中：厂一一截割头的每转进给量，m m ； 珞一一截割头的钻进速度，m m i m 撑一一截割头的转速，r m i m 坍一一每条截线上的截齿数； 层一一截齿的安装轴线相对于齿尖回转平面的倾斜角； 4 2 利用切屑图计算截齿的切屑厚度 已有截齿切屑厚度的计算方法均是在理想状态下计算的，截齿截割煤壁 的过程中沿左右崩落线崩落下来的煤不均，导致截齿形成的截槽不对称，这 样计算出来的切屑厚度与实际工作的会有一些误差。因为掘进机在钻进工作 时，切屑图反映出截齿在截割时切屑下煤壁后形成的形状，本文提出利用切 屑图来计算切屑厚度的方法，这样计算出的截齿切屑厚度更接近实际的切屑 厚度，具体的计算方法如下。 4 2 1切屑厚度的计算方法 已有学者认为在钻进过程中，截割头上各截齿的运动轨迹均为空间螺旋 线，任意截齿在进入煤壁截割后，截齿的切屑厚度则基本不变【】。这与摆动 工况切屑厚度的变化规律是不同的。本文从切屑图来计算截齿的切屑厚度， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 从截齿进入煤岩工作开始计算，因此，其方法更接近实际的切屑厚度。 此方法假设截齿在截割煤岩时，煤体是沿崩落线脱落的，从而利用截齿 在钻进截割时形成的切屑图来计算，计算方法如下图所示： 图4 一l 任意截齿在钻进时切屑厚度的计算 截齿在工作对，o 爿与0 b 为截齿截割煤壁后形成的切屑形状，、b 两 点为该截齿与先前进入截割状态的截齿在截割煤壁后形成切屑形状的交点， a o 曰为这一截齿的切屑形状。0 。为所研究的当前时刻截齿齿尖位置，0 0 为 截齿截割过程中的旋转轴线，连接一、丑两点的线段a b 与线段0 0 。，有一交 点为d ，d 。d 。就定义为截齿在钻进时的切屑厚度。 根据上述第三章切屑图的模拟结果中存储的数据，来计算截齿的切屑厚 度。可得到周4 1 中d 、彳、古的坐标为已知，为了方便计算，本文分别设 为0 ( x 。，) 、_ ( ，y 。) 、b 嘞，儿) ，图中d 为截齿在截割头上位置参数，设 为d ( ，y 。) ，那么推导出截齿的切屑厚度根据下述公式进行计算，根据上述 已知条件，推倒过程如下所述： 直线丘8 的方程为：兰二塑：苎 丛( 4 2 ) x x bx n x b 直线o d 的方程为：y - y o ：y o 一y o ( 4 - - 3 ) 工一j o x i z o 把上述式子整理，得到： j ( y 口一儿) 。工一。口一x b ) y 2 码( ) ，口一聆) 一( 一x b ) ( 4 4 ) 【o 口。一y q ) x 一( x 口一，d ) y = x o 0 o y o ) y o ( x o 一如) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 利用线性代数的方法求解，令线性方程： 1 饥一) 肚b 。y 。) - ( x a 一) i 一( x 口- 一x 口) l 4 。时，求出x = 去k i x , 饥( y , 一- 儿y d ) w - y , 。( x 。o - 训x , ) 一- 嘛( x o - 一x 6 j ， 户j1陋0o-一y儿6；一-kx,饥0o一-儿y,卜)-y,(x巧o-一x瓦6)刈liv y o ，因此，交点的坐标为 = 一i 【n rht ，m em 月 7 4f ( 巧一儿) 一【毛o ，o | 一儿) 一 _ ( 巧一瓦刈 。” h y d - y b 0 0 一毛) 一( 】一) i 儿) 一儿。魄一? 一魄一i a 。 ，那么线段d d 的大小就是截齿的切 一k ( ) o 一) 一儿( 而一) 】l 一珏o b ；一y 0 一y o b ；一x j x 屑厚度h ，根据公式可以看到，截齿在截割头上位置不同，h 的值就不同，根 据上面的计算过程，截齿的切屑厚度h 的计算公式为； h = + 1 i o 一) 一【| 6 o o y b ) 一y b ( x a x d 】l 、2 。4 眵咣) 一 x o y o y o ) 一协一而) l ( 4 6 ) 。 1 l x b 【y 口一y b ) 一晒g 口一x b ) 一o 口一勤) l 、2 r - _ l l l 、“o 4i x d ( ) ，o - y d ) - y o ( x o - x o ) 一( h x p ) r 从上面的计算过程来看，截齿在钻进过程中每个截齿切屑厚度的值的大 小与截齿摔列、截割头运动参数、崩落角等参数有关系。 取国产某机型为例，截割头参数为表3 1 所示，利用m a t l a b 编程， 可计算出截齿在钻进工作状态时的切屑厚度值，得到的在钻进时截齿切屑厚 度。下表4 1 为m a t l a b 模拟每个截齿以一定值的切屑厚度工作，这一切 屑厚度的值。 表4 - 1 钻进每个截齿切屑厚度 一 一 )、，饥饥嘶嘿 h 佛 j 上4 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 9 从上表4 1 中可以看到截齿在截割头上的不同位置，截齿的切屑厚度 是不同的，切屑厚度和截齿的受力有很大的关系，所以截割头设计过程中截 齿排列是很重要的设计，它的好坏直接影响截割头的工作性能。 4 2 2截齿切屑厚度规律形成的分析 上节4 2 1 图4 - - i 中工为截齿在钻进时，在截割头轴向方向上截齿推进 的距离，即为截齿刚开始进入煤壁工作后，旋转过1 4 左右后，截齿的切屑 厚度达到最大值所推进的距离。三根据截割头的钻进速度、旋转速度等的不 同，工的值大小就不同，那么截齿在截割的过程中出现切屑厚度由开始进入 煤壁的逐渐增大，增大到一定程度后，又下降以一些到一个定值，其后截割 均以这一定值进行截割工作的现象，情况的位置就有所不同。图4 一l 中d 2 d 2 是截齿在进入煤壁后切屑厚度最大值，d 。d 为截齿此后进行截割工作的切屑 厚度的定值。 、 4 3截齿切屑厚度的模拟及分析 本文对国产某纵轴式掘进机进行分析研究的，具体的截割参数参数在上 节已经给出，利用m a t l a b 模拟该机型在某种煤岩( 崩落角) 下，钻进 = 1 6 7 m m i n ，转速疗= 4 6 r a d m i n ，完全钻进煤岩的过程中，在过截割头轴 线且与截割平面平行的右半平面内的切屑图如图4 2 ，图中横坐标r 为截割 头的工作半径，纵坐标b 为截割头的钻进深度 辽宁工程技术大学硕士学位论文 墨 篓 娄 钻进时同讹 图4 2 截齿在钻进时切屑图 由于上4 2 2 原因，本文在讨论钻进参数变化对截齿切屑厚度的影响时， 取了两种位置的截齿进行截割分析比较： ( 1 ) 任取一前端的截齿一一8 号截齿，这些截齿是掘进机在钻进工作时 主要的截割工具，可以通过钻进参数的改变，观察各参数对切屑厚度的影响。 并且又因为前端截齿与煤壁的夹角小，可以分析截齿在钻进工程中切屑厚度 的变化规律。 ( 2 ) 任取一过渡段的截齿一一1 5 号截齿，因为这些截齿在工作过程中， 截齿与煤岩的夹角大，截齿的切屑变化规律就容易出现上述4 2 2 节中的现 象。同时，这些截齿是掘进机在摆动截割主要的截割工具，我们可以通过分 析对比，找到摆动截割和钻进截割时，钻进参数的变化对锥段截齿的切屑厚 度的影响大小。 所以利用m a t l a b 模拟出钻进参数发生变化时，形成的切屑厚度的变 化图形，从而观察钻进参数对截齿切屑厚度的影响，进而找到合理的钻进参 数。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 3 1钻进速度发生变化时 本文利用m a t l a b 编程，模拟出掘进机在钻进工作时，其他条件 n = 4 6 r r a i n ，妒= 4 5 。煤岩性质不变，只有截割头钻进速度发生变化时，对截齿 的切屑厚度的影响，利用m a t l a b 模拟出一系列的结果，从中取出两种模 拟结果进行分析对比，便于分析说明，所得模拟结果如下图4 3 和图4 4 所示： 萋 鼙 饕 图4 3 前端8 号截齿切屑厚度的变化图4 4 过渡段1 5 号截齿切屑厚度的变化 从上述图4 3 和图4 4 中可以看到，两个不同位置的截齿，掘进机在 钻进工作时，当钻进速度的改变，导致截齿的切屑厚度也发生变化，变化的 规律是一样的。当钻进速度增大了一倍，截齿的切屑厚度也增加一倍，说明 截齿的切屑厚度与钻进速度成线性正比的关系。这与已有计算截齿的切屑厚 度的公式结果是相吻合的，说明这种计算截齿切屑厚度的方法是正确的。 4 3 2截割头转速发生变化时 下图表示的是在钻进速度为= 1 m m i n ，煤岩性质( 崩落角) 为矿= 4 5 。不变时， 截割头旋转速度发生变化，截齿切屑厚度随之发生变化的图： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 j 萋： 嫠1 饕 图4 5 前端8 号截齿切屑厚度的变化图4 6 过渡段1 5 号截齿切屑厚度的变化 从上图4 5 、4 - - 6 中可以看出，掘进机在钻进过程中，转发生变化时， 切屑厚度也发生变化，转速越高，截齿切屑厚度越小，说明截齿在钻进工作 时，切屑厚度与截割头旋转速度成反比，不同位置的截齿变化规律是一样的。 4 3 3煤岩性质不同( 崩落角) 时 掘进机在钻进工作时，转速n = 4 6 r m i n ，钻进速度攻- - - 1 m r a i n 不变的情况下， 煤岩性质( 崩落角伊) 发生变化时，切屑厚度的变化图： 图4 7 前端8 号截齿切屑厚度的变化图4 一s 过渡段1 5 号截齿切屑厚度的变化 从图4 7 、4 8 中可以看出掘进机在钻进过程中，煤岩性质( 崩落角) 发生变化时，对截齿的切屑厚度也有影响，但是，影响的效果没有钻进速度 和截割头旋转速度的大。煤岩性质是由煤的地理环境决定的，我们在掘进机 工作时，只要判断煤岩的性质，进而大概掌握截齿在工作时切屑厚度就能使 辽宁工程技术大学硕士学位论文 掘进机正常的工作。 4 4结论 本文利用截齿截割煤岩所形成的切屑图来计算截齿的切屑厚度，提出了 掘进机在钻进工作时，截齿切屑厚度的计算新方法，计算公式为( 4 - 6 ) ， 结果比较接近实际的切屑厚度。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 钻进过程中截齿载荷的力学模型 5 1镐形截齿的力学模型 已有学者根据截齿破煤理论，分别提出了截齿在截割时的受力计算方 法。如下所述： 5 1 1英国学者建立的截齿力学模型 英国学者伊万斯等人对镐形齿破煤的力学特性和断裂模式深入研究后 认为 2 2 - 2 3 ：镐形截齿截割时在煤岩表面形成一连串的圆锥形小块，其截面大 致呈v 形，圆锥形的顶角不随切削制度的变化而变化，只与煤岩的性质有关。 在此基础上，伊万斯提出了如图5 - - l 所示的单个截齿受力模型。 图5 1 镐形齿受力 假设煤岩的最终破坏是由截齿与煤岩接触表面的拉应力引起的，且镐形 齿轴线垂直于煤岩表面，通过积分得截齿表面所受的水平阻力为 p ：协：竺竺生! 丛，翻( 5 1 ) 。 c o s 口 式中：口一煤岩破碎前，弹性位移的极限值，截齿即进入煤岩内的最大半径； 吒一煤岩表面的张应力； j i 一截齿的切削深度； 驴一煤岩锥角的一半； 从另一方面来看，截齿所受得水平阻力又与齿尖附近得煤岩抗压强度有关 辽宁工程技术大学硕士学位论文 p = 石a 2 口0 ，i o i ( 5 2 ) 式中：q 一煤岩表面的抗压强度 将( 5 - 2 ) 式带) m 5 - 1 ) 式中，得到截齿水平阻力为 p ：! 鱼：! ：哇：蟹，酣( 5 - - 3 ) ，c o s 。矿 5 1 2前苏联学者建立的截齿力学模型 前苏联学者经过大量的试验，总结出了截齿在截割纯煤和岩石时截割机 构各参数与截齿受力之间的关系模型2 4 3 们，截齿受力的计算方法如下： 5 121截割煤体时 掘进机在钻进煤体时，截齿刚开始工作时，截齿的齿尖比较锋利，其上 的作用力按锐利截齿受力来计算。 ( 1 ) 锐利截齿截割煤壁时所受力 截割阻力z o z o = 1 0 毛黼咖吩曩去，k n ( s _ 4 ) 式中：z 0 一锐利截齿的截割阻力； 么一煤层抗切削强度的平均计算值，n m m = 毛一煤炭压出系数； 曰一煤岩的脆性程度指数，韧性煤b 2 1 ，脆性煤2 1 b 3 5 ； 6 。一截齿工作部分的宽度； h 一在所建立切削制度条件下的切屑厚度，m m ； t 一在所建立切削制度下的切屑宽度，m m ； 毛一工作面裸露系数； t 一切削角对切削单位能量的影响系数，两者之间的关系见表5 - 1 ； 缸一截齿切削部前刃面形状对切削单位能量的影响系数，镐形齿七 辽宁工程技术大学硕士学位论文 = 0 9 0 9 5 ： t 一切屑图影响系数，顺序式取1 ，交叉式取1 2 5 ； 届一截齿的安装轴线相对于齿尖回转平面的倾斜角； 表5 1k 。与j 的关系 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ - - _ o _ - - _ - _ _ _ 一r _ _ _ _ _ _ _ - - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 一 艿6 0 。70。80。 9 0 。 屯0 6 0 9 31 0 81 2 4 牵引阻力k 为： = e z o ，k n ( 5 5 ) 式中：一锐利截齿的牵引阻力； 一作用在锋利截齿上的牵引阻力与截割阻力的比值系数，一般取 0 5 0 7 ，当切削厚度较大、煤岩脆性较高时取较小值。 ( 2 ) 磨钝截齿在钻进煤壁时受力计算 掘进机的截割头上的截齿经过一段时间的截割，由于截齿与煤壁的接触 摩擦，锐利截齿就被磨钝掘进机在截割煤岩时，截割头上的截齿大部分时 问处于磨钝状态，其上的作用力分别为： 磨钝截齿截割阻力为： 五= z o + 厂。k c 墨，k n ( 5 - - 6 ) 式中：，一抗切朗阻力系数，= 0 3 8 0 4 2 对于切屑厚度大的取大值； c 一煤炭单向瞬时抗压强度m p 。； 墨一截齿磨损面积，按截齿磨损表面在截割平面的投影面积计算，一 般可取1 2 0 7 5 c m 2 磨钝截齿牵引阻力z z = k + k c 岛，k n ( 5 - - 7 ) 磨钝截齿侧向力 置= 乃( - 寿苦+ c ，) 7 h ，k n ( 5 8 ) 式中：c l ，c 2 、c 3 一截齿排列影响系数对于顺序式，c i = 1 4 ，c 2 = 0 3 ， q = 0 1 5 ：对于交错式，c l = 1 0 ，c 2 = 2 2 ，c 3 = o 1 0 辽宁工程技术大学硕士学位论文 5 122截割岩石时 截割阻力乃 z i = p k k t k r k ( o 2 5 + o 0 1 8 t 助+ o 1 s d 】，k n ( 5 - - 9 ) 式中：仇一被切割煤岩的接触强度，m p a ，