（机械设计及理论专业论文）悬臂式纵轴掘进机截齿分布研究及仿真.pdfVIP

摘要 摘要 本文的主要研究对象为纵轴式掘进机截割头。以期通过分析研究截割头各参 数分布特性及其之问相互关系，从而得到提高掘进机截割性能的途径。 论文首先简要介绍了掘进机国内外的发展概况及其在我国的应用情况，对比 分析了横轴式和纵轴式两种掘进机适用情况，分析我国掘进机的研究、设计水平 和国际水平的差距，指出截割头研究的重要意义。作为研究的基础，论文还对截 割头的工作机理和运动学特性作了必要的分析，讨论了不同工况下截割头的工作 方式和特点。 论文通过对我国某一掘进机截割头各个参数的深入研究，给出了一种适合各 种类型截割头的三维模型建模方法论文以岩石破碎理论和等截深理论为基础， 通过系统分析，指出导程不仅受截深的影响，还与转速和截齿分布角有密切的关 系，并建立了截割头上导程五和分布角口以及转速、截深之间的合理关系公式， 解决了过去对截深和导程的关系只能给出了一个比较笼统的解释，不能定量的分 析导程丑和分布角护以及转速、截深之间的相互关系的问题，为截割头的设计提 供一个参考，是论文的创新成果论文利用c 0 s m o s 眦d 岱有限元分析软件和 a d a m s 动力学仿真软件对截割头进行了有限元分析和仿真分析，有限元分析结果 表明，单个截齿在载荷的作用下应力集中在齿尖和齿座的根部周围，但产生的形 交和位移较小，不会对冲击角万和扭转角占产生大的影响，因此在对掘进机的截 割头在进行性能分析时。可以忽略不计，这为截割头力学模型的简化提供了依据， 齿座形状的改进能够明显改善应力集中的影响，但不能显著改进截齿组与截割头 的应力分布，为截割头的结构和强度设计提供了指导；利用仿真软件分析比较了 掘进机在不同的运动模型下截齿的速度与加速度，由此综合分析出较好的运动方 式。通过模态分析，指出掘进机简化模型的主振型的分布范围，为掘进机的整体 设计提供参考 图 4 8 】 关键词； 表【3 】 参【5 5 】 纵轴式掘进机；截割头；截齿；s o l i d w o r k s ；c o s m o s w o r k s ；a d a m s ； 仿真 分类号；t h 4 2 1 5 安徽理工大学硕士论文 a b s t r a c t t h em a i no b j e c to fd i s s e r t a t i o ni st h ec u t t i n gh e a do fv e r t i c a ls h a f t - t y p e r o a d h e a d e r i tw a n t st og e ta l la v e n u et oi m p r o v ec a p a b i l i t yo fr o a d h e a d e rt h r o u g h a n a l y z i n gd i s t r i b u t i n gc h a r a c t e ro f c u t t i n gh e a dp a r a m e t e r sa n dc o r r e l a t i o no f t h e m 1 1 l ed i s s e r t a t i o nf i r s t l yi n t r o d u c e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n ts u r v e y o fm a d h e a d e ra n dt h e na n a l y z e si t sr e s e a r c h , d e s i g nl e v e l i n0 1 1 1 c o u n t r y , t h e i m e m a t i o n a ls t a n d a r dd i s p a r i t y , m a dp o i n t so u tt h es i 鲥f i c a n c eo f t h es t u d y t h r o u g ht h o r o u g hr e s e a r c ho f e a c hp a r a m e t e r , t h i sd i s s e r t a t i o np 刚u c e sam e t h o d o f e s t a b l i s h i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lw h i c h a l s os u i t so t h e rt y p e so f c u t t i n gh e a d s b a s e do nt h et h e o r yo f d h 鼬ga n dt h et h e o r yo fs a m e - c u t t i n g - d e e p , b y s y s t e m sa n a l y z i n g ，t h ed i s s e r t a t i o np o i n t so u tt h a tl e a di sn o to n l yi n f l u e n c e db y c u t t i n g - d e e p ，b u ta l s ob yr o t a t es p e e da n db i t - d i s t r i b u t i n g a n g l e ，a n dg i v e saf o r m u l a a m o n gt h e mi nr e a s o l li ti s 蛆i n n o v a t i o no f t h i sd i s s e r t a t i o nb e c a u s ei nt h ep a s ti ti s o n l yag e n e r a le x p l a i n i n gw h i c hc a n te x p l a i nt h er e l a t i o n sa m o n gt h e mi nq u a n t i t y i t c a no f f e rar e f e r e n c ew h e nd e s i g n i n gc u t t i n gh e a d u s i n gt h ec o s m o s w o r k sa n da d a m ss o f t w a r e ，t h ed i s s e r t a t i o nd o e st h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa n ds i m u l a t i o na n a l y s i s , t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tu n d e rt h el o a dt h e s t r e s so f o n eb i tc o n c e n t r a t e so nt h eb i tl i n ea n dt h er o o to f t h eb i ts e a t , a n dd i s t o r t i o n a n dd i s p l a c e m e n ti sl e s sw h i c hc a n ta f f e c tt h ei m p a c ta n g l e 艿a n dt o r s i o na n g l e 占 s oi t 啪b ei g n o r e dw h e na m a y z i n gt h ec a p a b i l i t yo ft h ec u t t i n gh e a do fm a d h c a d e r t h i so f f e r st h eg i s tw h e np r e d i g e s t i n gt h ed y n a mm o d e lo fc u t t i n gh e a d c h a n g i n g s h a p eo fb i ts e a tc a na m e n di ne v i d e n c et h ea f f e c to f s t r e s sc o n c e n t r a t i n g , b u ti tc a n t a m e n di ne v i d e n c et h es t r e s sc o n c e n t r a t i n go f b i ts u i ta n dc u t t i n gh e a d u s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r et h ed i s s e r t a t i o nc o m p 勰ss p e e da n da c c e l e r a t i o nu n d e r d i f f e r e n tm o v e m e n tm o d e lo fr o a d h e a d e r , a n dt h e ng i v e sab e t t e rm o d et h r o u g h s y n t h e s i z i n gt h o s em o d e s t h r o u g hm o d ea n a l y s i s , t h e d i s s e r t a t i o np o i n t so u t d i s t r i b u t i n gr a n g eo f t h em a i nf r e q u e n c i e sw h i c hc a no f f e rar e f e r e n c ew h e nd e s i g n i n g r o a d h e a d e r f i g u r e 【4 8 】 k e y w o r d s ： t a b l e 【3 】 r e f e r e n c el i t e r a t u r e 5 5 】 v e r t i c a la x i sm a d h e a d e r , c u t t i n gh e a d ； b i t ；s o l i d w o r k s ； c o s m o s w o r k s ；a d a m s ；s i m u l a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t h 4 2 1 5 n 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 为获得塞筮堡王太堂 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：楼日期弓钳 月日 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x - 作的知识产权单位 属于塞徼堡王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：球絮 导师签名： 签字帆叩年占月品 签字日期2 彬年月 引言 引言 我国自七十年代开始推广应用掘进机，经过二十余年的发展，先后引进技术 或白行研制了a m - 5 0 、s 1 0 0 、e l m b 7 5 、e b h - 1 3 2 、e b j 1 3 2 、e b j - 1 6 0 、l h l 3 0 0 、 s 2 0 0 m 等十几种掘进机。目前国产轻、中型掘进机已基本形成系列产品，能够满 足煤巷掘进的要求，而重型机虽在半煤岩巷道掘进中也有应用，但因体积大、系 统复杂以及经济管理等方面因素的影响，使用率很低。近十几年来，我国掘进机 的研究也取得了长足的进步，三一重工、太原煤科院等单位已经独立开发出了具 有良好性能的硬岩掘进机，特别是三一重工的掘锚机组已经进入了工业性试验， 标志着我国的掘进机设计水平已接近世界先进水平。 陈淑莲在其论文。悬臂式掘进机切割头运动特性研究”中，推导和建立了横 截割头和纵截割头刀齿尖的运动方程，分析了其运动特性。中国矿业大学的研究 生周爱国在其硕士论文“纵轴式切割头设计的理论研究”中，对掘进机截割头的 设计理论进行了系统的分析研究，得到了一些有益的结论。辽宁工程技术大学的 李晓豁教授和刘蕴章在论文“悬臂式掘进机纵向截割头的c a d 研究”和“部分断 面掘进机横向截割头的参数及其c a d 的研究”中，分析研究了悬臂式掘进机截割 头的结构参数和工作参数以及它们对截割性能的影响，建立了截割头载荷的数学 模型，对截割头的设计作了进一步研究。 从现有的资料来看，制约我国掘进机发展水平的主要因素仍然是截割头，截 割头性能的提升仍然是提高掘进机性能的一个关键性的因素。本课题的研究目的 是对掘进机截割头的几何形状、尺寸、截齿分布以及截割参数等进行设计与匹配 设计，力求达到在工作每个截齿受力相等、磨损相同、运动平稳，从而提高截割 头的切割性能，这对于提高掘进机的工作性能和整机寿命以及对煤岩特性的适应 性具有重要意义。 i x 1 绪论 1绪论 悬臂式掘进机是煤矿井下巷道施工的主要掘进设备，根据截割头与截割臂的 结构形式，掘进机可分为两类：纵轴式掘进机和横轴式掘进机。纵轴式掘进机是 一种部分断面巷道掘进机，在工作时，它的截割臂可以上下及左右自由摆动，能 截割任意断面形状的巷道，并且可以前进、倒退及转向，截割下来的石碴由装碴 和输送机构送到机器尾部，装到有轨小车或自卸汽车上运送到井外。纵轴式掘进 机主要由截割装置、截割臂、回转台及输送装置等组成。横轴式掘进机主要由截 割头、工作臂、装碴铲板、回转台、驾驶室、中间输送机、行走机构、液压系统、 电气系统和喷雾降尘系统等组成。在工作时，悬臂式掘进机这种型式的掘进机其 截割臂可以作上下及左右摆动，具有良好的截割性能、整机调运灵活及可截割不 同巷道面等优点，故在煤矿及隧道等工程中得到了广泛的应用。其主要形制如图 l 所示。 ( 横轴) 1 1 掘进机的国内外研究 1 1 1 我国的掘进机发展概述 图i 掘进机的图形 f i g 1r o a d h e a d e rp i c t u r e ( 纵轴) 我国悬臂式掘进机的发展是从引进奥地利a l p i n ee q u i p m e r i tc o r p o r a t i o n 公 司的a m 系列掘进机技术开始的，并于二十世纪八十年代中期开始批量生产，随后 佳木斯煤矿机械厂也从日本三并公司引进了s 系列掘迸机。当时主要的大型生产 厂家有淮南煤矿机械厂、佳木斯煤矿机械厂和南京晨光集团。内蒙古北方重工业 集团有限公司( 以下简称北方重工) 于八十年代末期，同唐山煤科院合作并开发、 研制了e b z 一7 5 型半煤岩横轴式截割头悬臂式掘进机，而此时的合作是由唐山煤 科分院提供设计资料，由北方重工进行生产。当时，我国掘进机的生产只能说是 刚刚起步，对掘进机的理论研究还处于空白阶段。进入二十世纪九十年代中期， 安徽理工大学硕士论文 北方重工开始与唐山煤科院进行实际意义上的共同开发、研制、生产掘进机，推 出了e b z - - - 9 0 型半煤岩悬臂横轴式截割头掘进机【1 i 。 我国掘进机的研究开发和应用经历了两个阶段：第一阶段是由开始封闭式研 制阶段走向引进消化吸收和研制阶段，这是一个认识上的飞跃，它使我国的掘进 机使用和研制技术提高到一定的水平，避免了不少弯路，如a m 5 0 、s 1 0 0 机型 的引进；第二阶段是由国外机型移植仿制阶段向自立开创、系列设计发展的突破 阶段，如e b j 1 2 0 t p 、e b h 1 2 0 、e b z 一1 6 0 h n 等中重机型的成功研发，使我国 掘进机研究制造水平和综采机械化水平均迈上了新的台阶，并由此开始了我国掘 进机技术的自主发展之路。目前，国内煤矿用掘进机，中型机以a m 5 0 、s 1 0 0 、 e b h 1 2 0 、e b j 1 2 0 t p 为代表，其截割功率为1 0 0 1 2 0k w ，机重2 5 3 0t ；重 型机以e b h l 3 2 ( 截割功率1 3 2k w 、机重3 6t ) 、e b z - 1 6 0 h n ( 截割功率1 6 0 k w 、 机重5 0t ) 为代表，已初步形成系列，基本满足国内市场的需要。到2 0 0 4 年底为 止，我国已累计生产、销售掘进机达5 5 0 余台，主要用于煤矿井下的巷道掘进作 业。其中北方重工生产销售半煤岩悬臂横轴式截割头掘进机的数量达1 4 0 余台。 由西安科技大学毛开友教授与俄罗斯图拉国立大学及南京晨光机器厂三方合 作，试制出了国内第一台振动式掘进机样机，并于1 9 9 7 年十月进行地面试验获得 成功。1 9 9 8 年3 月下井进行工业性试验，结果令人欣喜。煤炭科学研究总院太原 分院和佳木斯煤矿机械厂联合研制的e b j 1 6 0 型掘进机是我国独立研制开发的重 型掘进机，各项性能均达到国际先进水平1 2 】【3 1 1 ”。 1 1 2 国外掘进机的研究概况 国外掘进设备可分为两类：一类是欧洲国家普遍使用的悬臂式掘进机，它适 应范围广，但掘进、支护不能平行作业，掘进效率低；另一类是以美国和澳大利 亚为代表的连续采煤机和掘锚机组，可实现煤巷的快速掘进，掘进效率高。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。在提高掘进机的 截割能力方面，利用振动截割技术无疑是一种新型而有效的方法，国外学者对此 作了一定的研究。早在五十年代，前苏联就试制了振动冲击式掘进机的样机，试 验结果表明，利用此方法提高了生产效率及降低比能耗。1 9 9 0 年，俄罗斯图拉工 学院开始研制惯性冲击式掘进机，并在一些掘进机上进行试验，结果证明在提高 破岩能力、提高生产效率及降低比能耗的同时机器运行仍平稳。对于普通截割法， 其破碎只能有效地用于f 2 3 的现象。而招致出现封闭切割和在原截槽基础上的重复切割，单位能耗 将急剧上升，生产能力将急剧下降，很显然，此时横轴式生产能力较大，岩石强 度越高越是这样由上述分析可知：由于横轴式掘进机一方面切割断面较小，同 时参加切割的截齿数少，在机器允许最大工作阻力相同时，就可能采用较大的单 刀力。另一方面，由于截线问距小，可以采用较小的截深，单刀切割阻力就较小， 因此横轴式掘进机比纵轴式掘进机的切割硬度高。纵轴式掘进机钻进开切时，由 于前端及圆弧过渡段截齿受力状态不好，以及受到结构尺寸限制布置的截线间距 又较大，排屑效果又不好，因此钻进时阻力很大，尤其是当岩石强度较高时更为 明显。因此，断面切割时，选择在较软岩层中钻进开刀是比较有利的而在强度 很高的岩层钻进开切是十分困难的，因此它用于半煤岩或局部具有较软岩层的全 1 4 第二章掘进机截割机理及运动学特性 岩巷道掘进是比较有利的。横轴式前进开切时，由于切割力和牵引力都位于与悬 臂轴线相平行的平面内，对机器的稳定性更有利，而且截齿的受力和排屑效果都 较好，因此它可以在强度较高、而且较均质的全岩巷中掘进，所以横轴式对巷道 断面的岩石硬度变化的适应性较强”j 2 3 纵轴式掘进机截割运动的运动学特性 由上分析可知，纵轴式截割头的运动包括截割头回转、截割臂的左右摆动、上 下摆动和纵向进给等四种 i s l ”1 1 ”i 。根据截割过程和工作方式不同，截割头的运动 可能有以下四种组合运动工况： 2 3 1 纵向推进钻进开切截割 纵向进给运动是截割头旋转和轴向推进运动的合成，用于掘进机在工作面的 钻进开切工序当纵轴式截割头旋转和轴向推进时，截割头不同半径处截齿齿尖 运动轨迹是三维空间圆柱螺旋线。如图5 所示图中z 坐标为截割头旋转轴线， y 坐标为旋转半径，螺距为五则这个空间螺旋线的方程为： 氕剐k | n c ( m ) 式中： v i 。载割头轴向推进速度( m m i n ) n r _ 截割头转速唧m ) 截割头上任一刀齿齿尖在空问的运动轨迹为一圆柱螺旋线，锥形截割头上的 各个截齿则形成若干个半径不同的圆柱螺旋线，取半径为r 的任一截齿为例，在 二a j x 爿锄 、|：7 ： 砦 。 图5 截齿齿尖空同螺线图 f i g 5l e 8 dp i c t u r eo f b i tt i n e + 图6 截齿齿尖轨迹图 f i g 6t r a c kp i c t u r eo f b i tf i n e 旷- o t - - o 时，其位置为m 0 ，当截割头转过旷铖后，该点移动到m ，在割截头纵向 推进后，该点移动到m ，则m o m 即为该点运动经时间t 后的一段螺旋线轨迹，如 图6 所示 经时间t 后，m 点的参数方程： = r c o s ( 巧，) ly =rsin(w*t)(2-1) lz 2 v k + t 式中： 廿- 域割头的旋转角速度玎= 2 ，r * n 。1 6 0 卜一刀齿尖回转半径 t - 运动时间 由此，各点速度方程奂l j 很容易得到将上面的各参数对时间求导得： f 匕= - r m s i n ( = r ，) l = r f f c o s ( z r f ) f 匕= 吩 齿尖合成速度v p 的大小和方向为： v ，= 扩而= 幔至互 c o s ( v p 。，功= - r w s i n ( 珂0 7 岳2 巧2 + 以 ( 2 2 ) 吣s ( v p 协：毋c o s ( 巧o | f 丽 c o s ( v ，力= r 2 巧2 + h 2 由上述各式知，当截割头转速和轴向推进速度吆为定值时，由于截割头上 齿尖所处的位置不同，半径r 不同，因而各齿尖的圪也不同，其方向是沿着各自 运动轨迹的切线，并与z 轴所夹的角度保持不变( 对每一截齿而言) 同样，加速 度方程的获得是将上面的参数方程对时间求二阶导数； 1 a x = ，万2 c o s ( w t ) a r = 一，巧2s i n ( 万x t ) i a z ：0 加速度的大小和方向： 1 6 第二章掘进机截割机理及运动学特性 a p = ，巧2 c 0 8 0 ，功= 一c 0 5 p x f ) ( 2 3 ) c o s ( a ，力= 一s i n ( 巧f ) c o s ( a ，力= 0 由上式知，刀齿各点因半径r 不同， 大小恒定。加速度矢量在) 【_ 吖平面内， 加速度大小不同，但每个刀齿的加速度 方向指向z 轴( n pa ，为向心加速度) 。 2 3 2 截割头水平摆动横向摆动截割 掘进机在工作时，截割头的典型运动是截割头一面绕截割头轴线作旋转运动， 一面随悬臂绕水平回转中心q 左右摆动。如图7 ( a ) 所示，当悬臂摆动一角度后， 截割头中心由o o 转到o l ，截齿由m o 转到m i ，m o m l 即为齿尖的运动轨迹由于 悬臂回转半径较大，摆动速度蜘较小，而截割头转动速度矾较大，所以，可以 把截割头随悬臂绕o k 点摆动看作直线运动。因而，齿尖运动轨迹就成为) o - y 面 内的平面摆线，如图7 秭所示( 摆线沿x 方向伸展) 秭棚 钮0 q y y j 口 厂。w参鬈 义乡 一一 呒 图7 横向摆动运动示意图 f i g 7l a n d s c a p co r i e n t a t i o ns w a y i n gm o v e m e n t 由上面的分析及图7 所示，则摆线轨迹方程可以很容易得到了。假如以吼表 示截割头上某截齿随悬臂的摆动速度，则平面摆线的参数方程为： j y 吖螂洄f )( 2 - 4 ) 卜= v t t + r s i n ( 岔, x 力 1 7 。叠 一 、 q 安徽理工大学硕士论文 若令k = 工吼，则上式可表示为： i y = r c o s ( w ，c 0 卜= l ，m c t + r s i n ( w x t ) 式中： l 第i 个截齿齿尖到水平回转中心的距离 广_ 悬臂水平摆动角速度 和上面同样的方法，速度方程是将上述的参数方程对时间t 求导，得： 1 0 = ，巧s i n ( 巧x r ) 【吃= 一+ r m c o s ( w x t 水平回转的合成速度的大小与方向： i ) a i = 厢= 、v a 2 + r 2 w 2 + 2 v a r w c o s ( m x t ) cos(vai，力：_，巧sin(巧t)v,2+r2m2+2vtlrwcos(wxt) ( 2 5 ) cos(vai，力：+，wcos(wt)、iv2+r2+2vrwcos(wxt) 司以看出，对于某一截齿，当截割头转速和横向摆动速度q 一定时，齿尖 运动速度是一定的，但其方向则是变化的，而对于不同的截距，由于r 和v f l 不 同，故截齿的齿尖运动速度的大小和方向均不同，但因b 、r 差值不大，故变化 较小 加速度方程 i 口，= _ r 矗2c o s ( w x t ) a ，= - r t t l r 2s i n ( t 口xt ) 加速度a 。的大小和方向； a m 2 ，巧2 8 ( 口m ，寥2 一8 o ( 2 - 6 ) c o s ( a ，x ) = - s i n ( w x t ) c o s ( a a l ，z ) = 0 同样，当一定时，对一个截齿，其加速度的大小为定值，但其方向是变化 的，而对不同截齿，加速度大小与方向均是变化的。 2 3 3 截割头垂直摆动一t 下摆动截割 当截割头一面旋转，一面随悬臂绕垂直摆动中心上下摆动时，截割头上任一 截齿齿尖的运动轨迹也为一平面摆线，该摆线沿y 轴伸展，其运动规律与横摆时 第二章掘进机截割机理及运动学特性 相似；其轨迹方程、速度方程和加速度方程也与横摆相似。 2 3 4 截割头组合摆动t 下左右摆动截割 在截割头转动的同时，悬臂绕水平回转中心和垂直回转中心上下左右摆动， 其运动轨迹为两种运动的合成，平面摆线位于) ( _ - y 平面内，摆线沿水平摆动和 垂直摆动合成的方向伸展。 轨迹方程 x - 2 - v q l + 7 8 i 如0 ( 2 - 7 ) ij ，= 2 t - i - ，c o s ( 巧，) 式中o 为沿水平摆动的速度 屹：为沿垂直方向摆动的速度 速度方程 i = + ，巧c o s ( 谚x 力 h = v q 2 一r 牙s i n ( 盯x ，) 速度的大小与方向： k = 厅瓦x 虿忑瓦磊面而石鬲 c o s ( v , ，力= + ，万c o 和f ) 再再万瓦瓦忑蕊磊五历丽 【c o s ( v , , x ) = v 扩，万颤口咧届再瓦万磊菇磊磊丽i 万丽 ( 2 - 8 ) 加速度： i 哆= r 口2e o s ( w x o 【q = _ ，口2 洲万r ) 加速度的大小和方向： f 1 。7 矿 j c o 咖f ，力2 一c o s 回o( 2 9 ) l c o s ( a f ，功= 一s p 0 l c o s ( a , ，力= 0 可以看出，组合摆动时，其加速度的大小和方向与横摆时加速度的大小 和方向是相似的。 安徽理工大学硕士论文 3 纵轴式掘进机截割头建模 3 1 截割头的基本构成 掘进机的截割头的形制，无论是横轴式掘进机还是纵轴式掘进机，其基本形 制所包含的要素都是大体相同的。我国生产掘进机截割头的几个主要厂家的产品 也是大同小异，主要包括头体、截齿、齿座、内喷雾系统、连接部。有的头体还 沿着螺旋线的方向加焊了加固钢板1 5 】。 3 1 i 头体的基本形制 掘进机的头体是截割头基础，其它的几部分都要依附于头体，或安装在头体上， 它的包络线的形状一般都是由几段曲线组成，常见的有“球冠+ 圆锥”、“球冠+ 圆 柱”、“球冠+ 圆锥+ 圆柱”等几种形式。大多数的资料都认为“球冠+ 抛物线+ 抛物线” 的截割头是最佳的形状。一般来说，截割头的形状与截齿的分布及截线的分布有 直接的关系，同时还与截割头的运动方式有关，因此截割头都是回转体，如图8 所示，包络线围绕y 轴旋转，形成截割头的外形肼i 。 y y y x 一卜一 x i p 一 x 卜 图s 截割头外形的包络线图 f i g 8c u t t i n g h e a d e rf o r m a le n v e l o p ep i c t u r e 对于不同的截割功率，截割头的平均直径和长度以及锥角不同。一般来说， 直径越大，长度越长，截割功率越大现在，掘进机正向着重型化、大功率的方 向发展，截割头载荷越来越大，是一个必然的事实。然而，随着截割头载荷变大， 截割头的截割性能也要能够适应这种变化。作为工作载体，截割头应当具备以下 几个方面的条件： 1 ) 强度掘进机在截割煤岩时，截齿所受的载荷最终都会作用到截割头上，由 。n un 二 第三章纵轴式掘进机截割头建模 于煤岩的不均匀、夹矸等的影响，这种载荷显然是变化的，具有较大波动有的 学者认为它处于一种混沌状态，切割条件的细微变化，切割力都会产生很大的变 化。因此，头体的强度要求较高，要有较好的抗过载能力。一般的截割头体都是 采用铸造结构或焊接结构，最小厚度在2 叫o m m 以上，能够满足强度要求。 2 ) 抗磨损能力。由于工作环境的恶劣性，以及煤岩中存在大量的硬质内含物， 截割头一直在一种磨损的条件下工作，有时还可能和煤岩体产生强烈的挤压和剧 烈的切割行为，磨损量较大截割头的材料必需是具备一定的硬度、较好的焊接 性能的材料( 因为齿座都是焊接在截割头上的) 。另外，截割头还要具备避免产生 剧烈切割行为的形状，如图8 所示，截割头做成回转体的形状，使切割力沿着回 转体母线切线的方向，既使是截割头在摆动的情况下，也能有效的降低头体的切 割行为。 3 ) 工作应力分布均匀。截割头截割煤岩的工作主要是由截齿来完成的，每一把 截齿所受的载荷是受多方面的因素影响的。理想状态总是希望截齿在工作时损耗 均匀，受力相当。纵轴式掘进机工作时，截割头约有一半的体积参加工作，又总 是希望参加工作的截齿能够平均的使用，损耗相当，这就要求截割头要有一个合 理的锥角。截割头锥角的大小与钻进效果，巷道表面光滑性及截齿的工况有关，锥角 太大，截割头两端截齿截割力相差悬殊，大端截齿因过载很快磨损，而小端截齿却未 被充分利用，不利于提高工作效率纵轴式掘进机的工况和横轴式掘进机的工况有 较大的差别，它的截割头的形状除了上面列出的外，还有“球冠+ 圆柱”、“分段圆 柱焊接”等形式，这时工作应力的分布则主要靠截割齿的位置分布来调整的。 3 1 2 截齿和齿座的基本形制 截齿的种类有很多种，如图9 所示。但是现在主要使用的有两种：扁形截齿 和镐形截齿。由于镐形截齿具有强度大，耐用、自磨锐性等特点，目前绝大部分 的掘进机上采用的都是镐形截齿。如下图l o 所示，图中齿尖的部分为刀尖，其材 料为硬质合金，采用小过盈的方式镶嵌安装在截齿体内，这样既提高了齿尖的硬 度，又提高了截齿的整体强度1 1 0 1 1 2 i 镐形截齿的齿座的形状大体上都是相同的，有的齿座为了提高齿座和头体的 连接强度，将齿座的底部设计成梯形的，以提高焊接强度，图l l 是某一型号的掘 进机上截齿齿座的图形1 2 l 】。 2 1 安徽理工大学硕士论文 图9 截齿种类 f i g 9t y p eo f b i t s 图1 0 镐形截齿结构 f i g 1 0p i c k5 1 1 a t p cb i tf l - d m 大部分的截齿和齿座之间还有一个构件，就是齿套，它的目的是为了提高齿 座的寿命截齿在工作时，会沿着回转中心旋转，如果没有齿套，截齿会直接磨 擦齿座，由于齿座是直接焊接在头上的，它磨损后更换比较费事，齿套能够有效 的减小齿座的磨损，减少维修成本，降低维修周期。 图l l 齿座示意图 f i g 1 lb i ts e a ts k e t c hm a p 3 1 3 其它部分 圈1 2 截齿组示意图 r i g 1 2b i ts u i ts k e t c hm a p 截割头上还有一些重要的组件，如内喷雾部分、与机体的联接部分。截割头在 工作时，截齿以一定的速度、一定的角度冲击煤岩，会产生大量的烟尘，溅出火 花，截齿尖温度会上升，这时头体上的喷1 ：3 会同时喷出高压的水流，由于喷口位 置在齿座旁边，水流直接喷向齿尖，起到降尘、灭火花、冷却截齿的作用。内喷 雾部分具有重要的功能，能够有效的保障掘进机正常的工作，减少截齿的损耗。 截割头与掘进机悬臂的联接是通过花键相连的或者是胀套相连。截齿切割所需的 动力全部都是靠它来传递的，它要求有较高的加工精度和安装精度，否则会影响 掘进机的正常工作 s s l 。 第三章级轴式掘进机截割头建模 3 2 截割头的数学模型 由于不同型号的掘进机的截割头的包络线的形状不尽相同，描绘其空间方位 的数学模型也就不同。由于客观物质条件的局限性，本文选用我国广泛使用的掘 进机s 1 0 0 的截割头作为研究的对象进行研究。 3 2 1 截割头上截齿分布的数学模型 在前面的运动学分析中，纵轴式掘进机有几种工况模式。在钻进工况下，每 一个截齿都在做螺旋线运动，在摆动和旋转切割的条件下，截齿做摆线运动。从 切割和排屑的角度来看，截齿在头体上的分布应当是螺旋线排列。由于截割头的 包络线都是由几段曲线互相联接而成，螺旋线的空问方程在头体的每一段的数学 描绘是不一样的，有必要分别加以说明。如图1 3 所示，截割头体的包络线是由 三段组成的。c 段为顶端，它是一段直线，b 段为一段圆弧，a 段为一段直线， 这三段线围绕y 轴旋转后，形成截割头的头体截齿就按一定的方式分布在头 上l l ”。从图1 3 可以看出，这种截割头的顶端为一平面，过渡段为弧形圆台，最 ：厦为圆锥台! 先从c 面开始推导螺旋线的空间力翟? c 图1 3 某型掘进机的截割头外形图 f i g 1 3c u t t i n gh e a dp i c t u r es h a p eo f s o m et y p er o a d h e a d e r 在本例中，c 面为一平面，设螺旋线的转动角速度为，起始点半径为，o ， 起始相位为岛，如图1 4 所示。 安徽理工大学硕士论文 、 渺、 入 r e ) 爿( 疋k r x y 1 图1 4 平面上的螺旋线图 f i g 1 4s p i r a ll i n eo n t h ep l a n e 则有： ，o o ) 图1 5 类圆弧面体上的螺旋线图 f i g 1 5l e a dl i n eo nas i m i l a rc y l i n d e r v o r = ：宙d r x | r d i 令a = 4 西为一常数。t 秒后，则螺旋线方程用极座标的形式表达为： 历二茹 ，。( 3 - 1 ) 公式( 3 一1 ) 就是平面上某一螺旋线方程的极座标表达形式 b 面上，是一段表面为类圆弧的台体。如图1 5 所示。初始点为彳( ，o ，岛，z o ) ， 螺旋线的螺距为a ，为一常数。螺旋线的水平转动角速度为巧到时间t 后，转 到曰“，b ，z 1 ) 。其各点表示如下： 设转动一圈的时间为t o ，则瓦= 2 t t w ，为一常数。则t 秒后， h = 2 x t o 知道，该段头体为类圆弧面。设包络线的圆半径为震。，则在b 处，母线对圆心的 向心角为伊，则其为： 妒= a r c ( s i n ( h ，r o ) ) 则b 点在y o x 平面上的投影的圆半径为： l 2 r 2 + r ox c o s 矿 i 矿= a r c ( s i n ( h 岛) ) b 点的转角0 为： 第三章纵轴式掘进机截割头建模 日= 巧t b 点的z t 座标为： iz i = a x t t o 【t o = 2 ，r m 由上面的推导， 综合所得： f r = r 2 + r o c o s ( 8 u - c s i n ( 2 t l ( t o 蜀) ) ) p = 巧t ( 3 2 ) k = 2 t l t o 式中，t o = 2 x ，r ，劈。 公式( 3 2 ) 就是在类圆弧台体面上螺旋线的柱座标的参数方程。 如图1 6 所示，a 段上是圆锥螺旋线。动点m 沿正圆锥面上母线作等直线运 动，同时圆锥母线又绕其轴线作等角速回转运动，动点m 的运动轨迹即为圆锥螺 旋线。母线旋转一周，动点m 沿轴线方向移动距离称为螺距，用a 表示。 图1 6 圆锥面上的螺旋线图 f i g 1 6k a dl i n eo nt a p e rf a c e 线 图1 7 截齿安装示意 f i g 1 7b i tf i x i n g0 1 1c u t t i n gh e ms k e t c hm a p 设圆锥角面母线旋转的角速度为口，动点a 沿轴线运动线速度为v ，动点起 始位置在锥顶d ( 0 ，0 ，o ) ，经过t 秒后，动点至爿( x ，y ，z ) ，此时动点a 相对于x o y 平面转过护= 仃f 角度，相对x o y 平面上升了高度z = h = 2 o l ( 2 x x ) ，所以a 点的参数方程为： 安徽理工大学颈士论文 x = 去留扣口舻磊留主卵 y ：丧培要s i n 8 y 2 荔培主8 z 。生口 2 7 r ( 3 - 3 ) 式中： 兄一一导程 毋一一锥顶圆角 通过上面推导，截割头上的截齿是沿着三段互相联接的螺旋线来分布的。 般情况下，这样的螺旋线有两组或以上，本文的截割头有二条这样的螺旋线。 3 2 2截齿中心线的数学模型 在图1 7 中，设截割头头体的曲面方程为z = f ( x ，y ) ，截齿座的底面与其相切， 切点矗( x o ，y o ，气) ，切面方程为： z g o = l ( x o ，y o ) ( x x o ) 4 - f 。( x o ，y o 、 过岛点作切面的法线，过法线上e ( 毛，y 。，2 1 ) 点作一条直线，设此直线为截齿中心 线，在中心线上取p 2 ( z ：，y ：，z ：) 点，令汜b l = 只，经整理得到截齿中心线数学模 型如下； lx = _ + 7 y = m + c t ( 3 4 ) 【z = 毛+ 历 式中： d 。墼 c ：竺圭! ：! 望 志 q = 警篇筹掣 p ：! 竖兰壁堑 。 1 q + 疋+ 砖) c o s 26 一f ： 上式中，论文推导出了截割头上截齿的精确的中心线的空间方程彤i 。在这 个方程中，有二个很重要参数分别是占，s ，这二个参数加上齿尖的空问位置，就 第三章纵轴式掘进机截割头建模 可以完全确定每一条截齿中心线的位置，以及截齿和截齿座的位置。 3 3 截割头的几何模型的建立 由上面分析知道，截割头上截齿的空间位置是由齿尖的空间坐标和三个空间角 度确定的。这里主要考虑在齿尖位置确定后，截齿空伺角度的确定阎圈。对截齿 空间角度的描述，需要结合截齿切削原理来加以说明。 要描述截齿相对于截割头的位置关系，首先要将截割头坐标化，如图1 9 所示， 以截割头的底面为x z 平面，以它的底面中心为原点。以截割头回转轴为y 轴建立 坐标系o x y z p 点为截割头上某截齿齿尖的顶点，则p 点同样位于截割头的包 络面上。以p 点为原点0 ，取o z 。i f o z 为z 轴，取o x o x 为x 。轴，取o y h o y 为y 轴，建立局部坐标系o x y = 将在这两个坐标系下讨论截齿的空间角度确定及 描述方法 三2 一， 厶 - i 一声一卜 。川x 图1 8 截齿中心线空间位置图 f i g 1 8s p a c ep o s i t i o np i c t u r eo f b i tc e n t e rl i n e 在截齿的空间位置设计过程中，截齿空间角度的选取标准是使截齿能够更好 的完成截割任务，这样，截齿空问角度的描述形式就自然与截齿的切削原理联系 安徽理工大学硕士论文 起来根据切削原理，截齿的空问角度由切削角占、扭转角s 、安装角补角刁确 定。切削角占，扭转角占，描述的是截齿轴线的空间角度，而安装角补角叩是在 截齿轴线确定之后，进一步描述截齿底座相对于座标系的空间角度。 3 3 1 几何空间中切削角占描述 切削角占是截齿中心线与齿尖截割轨迹线切线间的夹角，在图1 8 中，声为 截齿中心线，上l 为齿尖截割轨迹线，厶为齿尖截割轨迹线切线，则切削角艿就是 彤与厶之间的夹角在截割过程中，为了尽量减小截割阻力与进给阻力对截齿 弯矩，要求合力方向尽量与截齿轴线重合，由于截割过程中截割速度及截割阻力 的不断变化，很难保证两者的重合，据试验研究，切削角取4 5 一4 8 。时，可使合 力的方向在截齿轴线附近较小范围内变化，因此大部分掘进机的截齿切削角都在 之4 5 4 8 。间取值，但也有取更高值的。 y ， l ， i 一一卜 7 x 一一 z 町。 图1 9 截齿空闻角度变换图 f i g 1 9s p a c ea n g l et r a n s f o r mp i c t u r eo f b i t 水 第三章纵轴式掘进机截割头建模 由于在截割过程中，进给运动速度相对于截齿绕截割头轴线的转动线速度相 差悬殊，因此截齿齿尖的运动轨迹( 或摆线或圆柱螺旋线) 十分接近于圆，因此为 计算方便，将截齿齿尖的运动轨迹看作平而x o z 。内以截割头轴线为圆心的圆，这 样截割轨迹切线就与轴o x 重合了于是就可以用c p a ( 即万) 近似代替切削角 万