（机械制造及其自动化专业论文）纵轴式掘进机镐型截齿等寿命研究.pdf

摘要 摘要 本文以纵轴式掘进机镐型截齿的截割机理为研究对象，建立了截割头和掘进 机坐标系的数学模型，在此基础上对截齿的轨迹、单齿截割量以及动静态参数进 行了分析和模拟，结合计算机辅助分析和设计软件对掘进机截割头的截齿分布以 截割量相等为目标进行了优化设计。 在已建的掘进机整机数学模型的基础上，通过m a t l a b 软件对其运动轨迹进行 求解，给出了掘迸机在横摆截割时，位置坐标求解的简化算法，并通过对比验证 了简化算法具有较高的精度，可以满足矿井破岩作业的要求。建立截割头破岩的 数学模型，利用积分方法并借助计算机进行辅助计算，定量地计算出截割头上每 一截齿在切割过程中的破岩体积，同时以所有截齿等寿命为设计目标确定截齿的 布置。在此前提下，作者认为每齿在工作过程中必须遵从每齿在单位工作循环周 期内的截割煤岩体积即截割量相等，且其受到破岩的工作反力最小。截齿的安装 位置决定了截齿工作的应力分布，利用s 0 1 i d w o r l 【s c o s m o s 软件对单齿工作时 的受力状况进行分析和模拟，以截齿所受应力最小为目标来优化截齿的安装姿态 参数。动态工作角度也影响着截齿的截割量，其中截割角与截割后角对截割量的 影响较大，截割角与截割后角成线性关系，两者的变化趋势相同。本文对截齿的 动态工作角度的表达式进行了推导，并利用l a b v i e w 和m a t l a b 联合编程对镐型 截齿动态截割角的变化进行了仿真。 图6 0 表5 参5 8 关键词：掘进机；镐型截齿；等寿命；方位角；动态截割角 分类号：( 1 2 ) ； 安徽理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , c o o r d i n a t es y s t e m so fc a n t i l e v e r - t y p er o a d h e a d e ra n dt h ec u r i n g1 1 e a d w e r ee s t a b l i s h e db a s e do nc u r i n gm e c h a n i s mo ft h ec a n t i l e v e r - t y p er o a d h e a d e re o n i e i a lb i t s t h et r a j e c t o r y ，v o l u m ec u r i n gb yo n eb i t ，d y n a m i ca n ds t a t i cp a r a m e t e r so fb i t sw e r e a n a l y z e da n df i r e db a s e do nt h ec o o r d i n a t es y s t e m s ，c u r i n gh e a db i t sd i s t r i b u t i o nw e r e o p t i n f i z e df o re q u a lc u t t i n gv o l u m eo fa l lb i t sb yc o m p u t e r - a i d e da n a l y s i sa n dd e s i g n s o f t w a r e t h et r a j e c t o r yo fr o a d h e a d e rb i t sw e r ec a l c u l a t e db a s e do nt h eb u i l tr o a d h e a d e r m a t h e m a t i c a lm o d e lb ym a t l a bs o f t w a r e t h e s i m p l i f i e da l g o r i t h mo fb i t ss w i n g t r a j e c t o r yw e r eg i v e n , a n dp r o v e dt ob ea b l et om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h em i n e r o c k - b r e a k i n g 淅吐l1 1 i g ha c c u r a c yb yc o m p a r i n gt h ee r r o rb e t w e e nt h eo r i g i n a l a l g o r i t h ma n dt h es i m p l i f i e da l g o r i t h m t h em a t h e m a t i c a lr o c k sc u t t i n gm o d e lo f c u r i n gh e a dw e r ee s t a b l i s h e d ，s o l v e db yc o m p u t e ru s i n gc a l c u l u s r o c kv o l u m ec u t t i n g b yo n e b i ti nt h ew o r kp r o c e s sw e r eq u a n t i t a t i v e l yc a l c u l a t e d ，a n db i t sd i s t r i b u t i o nw a s d e s i g n e dt om a k er o c k sv o l u m ec u t t i n gb ya l lb i t se q u a l e d o nt h i sp r e m i s e ，t h ea u t h o r b e l i e v e st h a te v e r yb i ts h o u l dm a k et h er o c kv o l u m ec u r i n gb ya l lb i t si naw o r k p e r i o d e q u a l ，a n di t sw o r kf o r c em i n i m a l t h ei n s t a l l a t i o na n g l eo fb i td e t e r m i n e si t ss t r e s s d i s t r i b u t i o nw h e nw o r k i n g ，t h es o l i d w o r k s c o s m o ss o f t w a r ew a su s e df o ra n a l y i n g a n ds i m u l a t i n gb i t sw o r kf o r c et oa d j u s tt h ei n s t a l l a t i o na n g l et om i n i m i z et h es t r e s so n b i t d y n a m i cw o r k i n ga n g l e sa l s oa f f e c tt h ec u r i n gr o c kv o l u m e ，i nw h i c hc u r i n g a n g l ea n dc l e a r a n c ea n g l eh a v eag r e a t e ri m p a c t t h e yh a v et h es a m et r e n da sl i n e a r r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m t h ee x p r e s s i o no fc u r i n ga n g l ew a sd e r i v e di nt h i sp a p e r , a n dt h es i m u l a t i o nc u r v ew a sp l o t t e db yj o i n tp r o g r a m m i n gw i t hl a bv i e wa n d m a t l a b f i g u r e6 0t a b l e5 r e f e r e n c e5 8 k e y w o r d s ：r o a d h e a d e r , c o n i c i a lb i t s ，e q u a ll i f e ，p o s i t o na n g l e ，d y n a m i ca t t a c ka n g l e c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t d 4 21 2 引言 己l吉 ji 口 随着我国能源需求的增加和煤炭现代化开采技术的迅速发展，掘进机已经越 来越广泛的应用于煤矿采掘生产中。从上世纪6 0 年代中期我国引进国外生产的掘 进机开始，到目前为止通过我国的技术人员一代一代的奋斗和努力，已能全面开 发和制造出不论是从技术、质量上，还是从掘进机的整机性能、生产效率等方面 均已接近国外掘进机的同期同类产品。但是所有机型的掘进机在实际生产过程中 均不能解决工作截齿使用寿命短、损耗量大、截齿磨损不均匀、因高频率更换截 齿严重影响生产效率等问题。 t 截齿易磨损和寿命短的工作缺陷问题已引起国内同行的高度关注，如辽宁工 程科技大学的李晓豁教授为了弄清掘进机工作截齿的工作机理，分别对常用于掘 进机工作截齿的刀型截齿和镐型截齿的特性进行了实验和研究，得出了截割厚度、 截线间距和截割速度对煤岩崩落角、单位比能耗、截割阻力、块率等截割性能的 影响【1 】；哈尔滨焊接研究所为了防止截齿工作时合金刀头的脱焊，通过对现场工 作失效截齿的分析，于1 9 9 4 年研制出了一种新型截齿1 7 0 1 型截齿，并取得了国 家专利【2 】；煤科总院太原分院掘进所，为了提高截齿的工作寿命和效率分别对截 齿的材料、焊接工艺及结构特点等方面进行了技术探讨，提出硬质合金、镐型齿、 保护焊等多项新技术、新工艺方法 3 j 。总之，目前国内对掘进机截齿寿命和磨损 的研究大多集中在刀体、刀头材料、焊接工艺方法和截割效率等方面，使截齿的 单体抗冲击、耐磨损、防刀头脱落和切削能力等性能均得到大幅的提升。但是， 到目前为止，我国仍没有截齿使用寿命的相关标准和规范，煤矿企业在选购截齿 时无从适守，很为头疼。另外，虽然单个截齿的使用性能得到了极大的提升，然 而掘进机在工作的过程中，是通过一系列的截齿来联合作业的( 一般为3 2 把刀) ， 只有保证所有工作截齿在工作过程中磨损受力均匀，才能防止频繁更换截齿和因 某一截齿损坏而增加其他截齿的工作负荷所造成的过载失效，因此开展截割头上 所有截齿的等寿命研究才更具有现实意义和使用价值。 安徽理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 掘进机简介 1 1 1 掘进机的分类及其特点 长期以来，由于我国是一个缺油、少气、富煤的国家，煤炭一直是我国国民 经济发展的主要能源支柱之一，约占7 0 以上h 3 。随着我国国民经济的高速发展， 能源紧缺的问题越显突出，极大的促进了我国煤矿的现代化装备进程，采掘机械 化成为煤炭开采的首选。为了保证煤矿的开采速度和工作效率，掘进优先一直是 煤矿生产的主要工作原则。掘进机己成为煤矿高效高产的核心设备。 掘进机一般按其不同的结构特征、用途及使用范围、切割工作面的方式、工 作机构型式、所掘断面形状和面积来进行分类。具体如下： 1 按截割煤岩的坚硬系数f 来分： 1 ) 煤巷掘进机：适用于坚硬系数f 4 的煤巷。 2 ) 半煤巷掘进机：适用于坚硬系数f 6 且f 4 的煤或软岩巷道。 3 ) 岩巷掘进机：适用于坚硬系数f 6 或研磨性较高的岩石巷道。 2 按可掘巷道的断面大小来分： 1 ) 小断面掘进机：断面面积s 8 。 2 ) 大断面掘进机：断面面积s 8 。 3 按掘进机的工作机构来分： 1 ) 全断面巷道掘进机： 如图1 所示，它是靠旋转刀盘上的盘形滚刀破碎岩石来一次成型巷道的。由 于其驱动功率大、破岩硬度高，常用于全岩巷道，掘进速度快、效率高。由于是 刀具挤压和截割巷道岩石，因此洞壁光滑美观，洞径尺寸精度高，且对外面的围 岩扰动少，易保持原围岩的稳性定。在长距离，大断面的岩巷掘进和隧道开凿中 获得较广泛的使用，如世界著名的英吉利海峡海底隧道就是用全断面掘进机完成 的。 全断面掘进机的缺点是一次性投资成本高，对于中短巷道的运用是不经济的； 一次施工也只适用于同一直径的隧道，一旦开工不能掉头；对于地质也较敏感， 不同地质应配置不同种类的掘进机，并配置相应的设施。 2 第】章绪论 图l 全断面掘进机 f i g1t u n n e lb o r i n gm a c h i n e 2 ) 部分断面巷道掘进机： 如图2 所示，部分断面巷道掘进机的截割部件只作用一部分断面，通过工作循环 才能实现和完成工作断面的形状和尺寸要求。由于该设备的结构特点均装备一个工作 悬臂，故又称之为悬臂式掘进机，其工作机构( 悬臂和截割头) 可以在机器允许的范 围内任意摆动，可截割出不同形状的断面。 悬臂式掘进机在截割中，将较小的额定功率集中在截割部位，可以获得较大的截 割力，而工作机构的尺寸小于工作面断面，便于维修和截齿的更换。除此之外，能实 现集开挖、装运和自动行走的功能，操纵方便，对复杂地质条件适应性强，主要应用 于隧道工程、矿业、铁路、煤炭生产等行业，尤其是在国内外煤矿开采中得到广泛运 用。 4 按照截割头的结构型式来分： 1 ) 纵轴式掘进机： 如图2 a ) 所示，纵轴式掘进机截割头的旋转轴与悬臂主轴同轴，截割头的形 状为圆锥形或圆柱一圆锥形，所截断面平整，截割头的形状和铰接点与巷道相适 应，但其反作用力大，一般机型重量大，常用的机型有e b z 1 6 0 、 e b j 16 0 、e b z 1 2 0 、e b z 一2 0 0 、s 1 0 0 、s 2 0 0 等。 3 安徽理工大学硕士学位论文 a )b ) 图2 部分断面掘进机 a ) 纵轴式b ) 横轴式 f i g 2 p a r t - f a c et u n n e l l i n gm a c h i n e a ) l o n g i t u d i n a lr o a d h e a d e rb ) t l 扑s v e r s er o a d h e a d e r 2 ) 横轴式掘进机： 如图2 b ) 所示，横轴式掘进机截割头的旋转轴与悬臂主轴垂直，截割头形状 为双半球形，机型轻，其截割阻力有机身抵消作用，易被机体自重所吸收。但所 截割断面的侧壁不平整，有半球头形成的波浪纹，必须通过专门的设备来修整或 将头体设计成三维可转位的铰接方式，常用的机型有a m 5 0 、a m 一6 5 、a m 7 5 等。 1 1 2 掘进机的组成 纵观国内外各种掘进机的机型，其总体结构均由以下几个部分组成： 1 工作机构 工作机构是掘进机中直接在工作面截割煤岩、实现巷道掘进的执行机构。它 由电动机、联轴器、减速器、悬臂和截割头等组成，截割头由螺旋叶片，齿座， 截齿和头体组成，布置在掘进机的前端。工作机构的结构形式、截割能力、运转 情况对掘进机的生产能力、掘进效率和机体的稳定性影响甚大，是衡量巷道掘进 机效能的主要因素和指标。工作机构的驱动功率较大，不仅可成功地掘进煤巷， 而且还能掘进岩石夹层比例较大的半煤岩巷。 2 装运机构 装运机构分为装载和运输两个部分。装载机构用于收集破碎的矿物并转到输 送机构中，常用的有耙爪式装载机构和星轮式装载机构。耙爪式装载的效率高， 但由于其为间歇式工作，在工作过程中存在运动速度的不断变化，运转不平稳， 4 第l 章绪论 振动冲击大，故会造成一些运动机件的磨损失效，使用的故障率高，它一般应用 于中轻型掘进机上；星轮式为连续装载，连续工作过程平稳无冲击，机件磨损小， 但对于大块煤岩不易顺利装载，易依附在星轮上，装载率低，故生产效率一般， 应用于重型掘进机上。 输送机构的作用是将装载机构收集装载的煤岩输送到后面的转载机构，由机 尾向机头方向倾斜向上布置。全断面岩巷掘进机多采用胶带输送机构，而部分断 面煤巷及半煤巷掘进机多采用刮板链式输送机构。 3 行走机构 行走机构用于工作时移动掘进机，完成掘进机的调动工序以及从一条巷道到 另一巷道迁移工作，同时它还是整台掘进机的连接、支撑基础。全断面岩巷掘进 机工作时，需要很大的推进力，一般采用液压自移式行走机构；部分断面式掘进 机通常采用履带式行走机构，它具有机动性好、工作可靠、调动灵活和对底板适 应性好等优点。 4 液压系统 液压系统是由若干液压元件与管路组合起来能完成一定动作的整体，一般由 动力机构、操纵机构、执行机构、辅助装置和液压油组成。采用液压系统具有机 构紧凑、体积小、调速性能好等优点。 5 电气系统 电气系统是巷道掘进机的重要组成部分之一，包括主机电气系统、监控和附 属设备的电气系统，主要用于控制掘进机的截割电机、油泵电机的起动、停止， 对掘进机的电铃、照明灯、总急停、截割急停按钮及瓦斯断电仪提供控制信号。 一般具有低压漏电保护功能，同时还能对油泵电机、截割电机的过压、欠压、短 路、超温、过载、过流、三相不平衡、电机绝缘进行监控和保护，显示各电机运 行状态、工作电压、截割电机负荷和各种故障信息。 6 供水系统 供水系统承担机器的液压系统、截割电机、截齿冷却，同时具有灭尘作用。 7 机架和回转台 机架是整个机器的骨架，在机器的组成中起着中心梁的作用，所有主要部件 均固定在此机架上，承受着来自截割、行走、装载的各种负荷。回转台座在机架 上，用于支承、联接截割机构的升、降、回转运动，通过回转轴承和高强度螺栓 与机架联接m 】。 一5 安徽理t 大学硕士学位论文 1 2 悬臂式掘进机的发展概况 我国的煤炭开采以地下开采为主，早期的巷道采用钻爆法配合装载机掘进， 采用掘进机比传统方法平均速度提高了1 5 倍，劳动效率平均提高1 2 倍，巷道 成本可降低3 0 5 0 。悬臂式巷道掘进机技术是发展机械化掘进、提高掘进率、 保障安全生产、降低劳动强度的关键暗1 。 我国的掘进机经历了从轻型发展到中、重型，截割对象从煤层拓展到半煤岩， 掘进机的使用范围产生了质的变化。在产品的开发方面，掘进机的截割功率从 3 0 k w 提高到2 0 0 k w ，甚至更高( 现在已有人在开发3 0 0 k w 的掘进机) ；机重从 1 3 t 上升到6 0 t 以上( 已接近7 5 t ) ；截割对象从单一的煤层已扩展到半煤岩，甚至 全岩，并逐步形成了煤和半煤岩掘进的两大系列、十多个品种睁m 1 。代表我国悬 臂式掘进机设计水平的主要机型有： 淮南煤矿机械厂1 ：e b h 11 0 、e b h 一1 2 0 、e b z 1 6 0 、e b z 2 0 0 、e b z 一2 5 0 ； 煤炭研究总院太原分院n 羽：e b h 3 1 5 t y 、e b j 1 2 0 t p 、e b z l 3 2 t y 、e b z l 5 0 t y 、 e b z l6 0 t y 、e b z 2 2 0 t y 、e b z 3l5 t y ； 佳木斯煤矿机械有限公司n 3 1 ：e b h 3 5 0 、e b z 2 6 0 、e b z 3 0 0 、e b z 2 3 0 、 e b z 2 0 0 m j ； 上海煤研所：e b z 1 6 0 、e l m b 4 0 、e l m b 5 5 ； 沈阳三一重装：e b z 1 6 0 c j 、e b z 2 0 0 、e b z 2 0 0 。 国外的硬岩掘进技术比较成熟，国外掘进机的型式更加系列化、多样化和重 型化。截割功率从5 0 - - 4 0 0 k w ，机重也从十几吨到近两百吨，大截割功率可提供 截割头巨大的截割力，同时也会造成机器的振动加剧，而机重的增加可以增加稳 定性；在可靠性上，国外掘进机以先进的制造技术为基础，再加上近年来可靠性 技术的发展和有效利用，例如简化机械结构，在齿轮传动、机械联接及液压传动 方面尽量减少串联系统，既简化了结构又大大提高了整机的可靠性；在设备的监 控上，国外掘进机采用机电一体化技术，配有完善的工况检测和故障诊断系统， 从而可以在早期发现机器故障，并快速排除故障，生产率大幅度提高，同时还能 减少截割机构所受的冲击载荷。部分新型掘进机还可实现推进方向监控、截割路 线循环程序控制、截割断面轮廓尺寸监控d h 引。 新的截割技术也不断的被研究和探索出来，以美国和澳大利亚为代表的连续 采煤机和掘锚机组，大大提高了掘进效率；早在五十年代，前苏联学者就试制了 振动冲击式掘进机的样机，随后，又有图拉工学院开始研制惯性冲击式掘进机； 6 第1 章绪论 高压水射流技术也正在被研究运用于截割技术上啪2 。 目前，代表国外掘进机先进生产技术的主要机型有： 英国的d o s c o 公司( 多斯科) 呦1 ：l h l 4 0 0 、m k 3 、m k 5 、s b 4 0 0 u ； 德国的d b t 公司3 ：w a v 3 0 0 、w a v 4 0 0 ； 日本三井三池旺u ：e l m b - 7 5 、e b z 一1 2 0 c j 、e l m b 一7 5 c 、e b j 一1 3 2 a 。 1 3 截齿的研究概况 截齿是剥落煤岩的工具，在采掘机械中，是重要的零件，直接关系到采掘的 经济效益。目前国内外使用的截齿主要有两类：刀型截齿、镐形截齿，其中应用 最广的是镐形截齿。两类截齿的共同特点是：在截齿前端中心孔中镶嵌硬质合金 头，硬质合金头用钎焊的方法镶焊在刀体头部。截齿的失效形式有截齿磨损、硬 质合金头脱落、合金头碎裂、截齿折断等。 目前，截齿的材料一般使用碳化钨和钴的硬质合金，碳化钨颗粒是以钴为粘 结剂，该合金具有高硬度、高耐压强度以及弹性模量。国外半煤岩掘进机使用的 镐型截齿的结构如图3 所示1 。 薯四p 穸 袋；i 一 鼍 奢鼍1 9 静薯 喀 警茗 毒戡譬 i 矗l q s 0 o 舻k _ p 7 、 鼍；篓! 旦 _ 。乏毫熟 ：b ，嘲t _ _ l p - 聍 耄： 耄卫 善 耄；世 图3 国外半煤岩截齿幢5 1 f i 9 3s e m i c o a la n dr o c kc u t t i n gb i t si nf o r e i g nc o u l i t r y - 7 掣： 安徽理： 大学硕士学位论文 国内对截齿的研究已取得了不少成果，如煤炭科学研究总院太原分院与株洲 硬质合金厂合作，研制出适用于硬岩掘进的高纯钨粉、高温还原、高温碳化的“三 高 合金刀头。山东科技大学对镐形截齿提出了一种在截齿尖部熔覆一层耐磨合 金的新型强化工艺，熔覆涂层截齿的使用寿命远远高于普通的国产截齿。江苏科 技大学的金云学教授发明了专利采煤机镶铸截齿。佳木斯煤矿机械厂的林杰等研 究应用真空溅射镀碳化钛膜新技术提高截齿寿命捌。 总的来说，国内对截齿的研究都集中于材料及工艺方面来探讨提高截齿的抗 磨耐磨性能，促进使用寿命的具体工艺措施如下： 1 可转位的截齿，即截齿能在齿座中绕其轴线旋转，从而实现各刃面均匀磨 损和自磨刃。 2 热喷涂技术对截齿进行强化处理，在合金表面喷涂一层高硬度、耐磨的合 金。 3 堆焊技术对截齿进行强化处理，在传统镶嵌硬质合金头位置的截齿头部， 利用堆焊技术，按截齿形状要求分层堆焊出截齿头部。 4 等离子束进行表面冶金，在截齿表面获得耐磨抗冲击涂层。 5 采用镶铸工艺，在铸型型腔中放硬质合金，然后浇充铁液一次成型。 6 采用“三高”制粉工艺生产硬质合金头3 州1 。 1 4 课题研究的意义 由于截割头上截齿是掘进机上的重要工作部件，直接参与截割煤岩，极易磨 损，是易损件，因此在生产中若破损和磨钝的截齿不及时更换，一定会增加与其 相邻的截齿的工作负荷，造成其他截齿的过载失效。若频繁更换破损和磨钝的截 齿，一定会增加停机维修次数，延长辅助工作时间，极大地影响其工作能力的发 挥。若能通过对截割头上截齿分布位置的设计和调整优化截齿的安装姿态参数、 工作角度，力保各齿工作时的工作负荷基本相同，所有截齿均匀同时磨损，集中 成批更换，这将对提高掘进机的工作效率、降低生产成本具有极其重要的应用价 值。 截齿的等寿命主要是要力保每个截齿在工作过程中破岩的体积相同，所受煤 岩的作用反力基本接近，综合国内外现有的文献，均未见相关的报道，到目前为 止，所有研究的侧重点均分布在单个截齿的材料、制作工艺等方面。为此我们若 能以每齿等截割岩石的体积、等寿命和切割效率为目标，建立掘进机工作时运动 状态的数学模型，利用相关的计算机软件对截齿工作位置进行求解和模拟，确定 一8 第1 章绪论 每齿破岩量的计算方法，一定能为今后提高截割头在实际生产中截齿的使用寿命、 制定截齿磨损标准奠定一定的理论基础。 每个截齿随截割头体的运动，在不同的工作位置，工作的截割角度是动态变 化的。综合现有的文献发现，到目前为止，所有的文献几乎为研究其静态的切削 角度。虽然进行了一定的优化，仍与实际工作时的切削状态相差甚远。为了探讨 影响截割头体上所有截齿寿命的影响因素，若从理论上来对截齿动态截割角度即 工作角度进行推导和仿真，对今后探索有效的提高截齿寿命具有现实意义。 1 5 课题研究的内容 本课题以悬臂式掘进机截割头上的整体截齿的等寿命为目标，利用功能强大 的计算机分析和计算软件为工具，基于微分几何和运动力学理论，探讨截齿在截 割头体的安装姿态参数、工作角度以及计算运动位置求解等问题，来揭示截割头 体上整体截齿在等寿命的前提下的主要影响因素和切割机理。主要内容包括： 1 建立掘进机截割头上的截齿位置坐标方程，并利用v i s u a lb a s i c 编程，提 出截割头上截齿坐标求解的方法。 2 通过掘进机工作状态下的运动分析，利用m a t l a b 软件，对其进行仿真， 为便于后续的数据处理，探讨可行的简化方法，结合有效的仿真，给出简化的误 差状况，来验证简化的可行性。 3 建立单个截齿截割量的计算模型，并利用v i s u a lb a s i c 编程，制定单齿截 割量的求解界面，并对各截齿截割量进行比较，利用数值计算定量的检验目前使 用的方法能否实现截齿等寿命。 4 依据截割头体上所有截齿等寿命的目标，提出截割头上截齿安装参数的设 计方法，并用软件对其进行拟合。 5 依据截齿在截割头体上的安装方式，确定其安装姿态角度。建立镐型截齿 的三维模型，对其进行有限元分析，通过结果对比来对截齿的安装姿态角度进行 空间优化。 6 根据已推导出的截齿运动轨迹方程，定量的求解动态截割角度，并利用 l a b v i e w 编程，制作可视化界面，绘制截齿动态工作角度的曲线。 - 9 安徽理工大学硕士学位论文 2 截割头的截齿坐标方程的建立 2 1 截割头结构 截割头的设计与制造性能直接影响着掘进机整机工作性能，因此截割头的设 计是整机设计的关键，一般来讲，截割头主要包括头体、截齿、齿座、内喷雾系 统、连接部。 2 1 1 截割头头体结构 。 | a )b )c ) 图4 截割头的头体形状 a ) 圆柱形b ) 圆锥加圆柱形c ) 圆锥形 f i g4s h a p eo fc u t t i n gh e a d a ) c y l i n d r i c a lb ) c y l i n d r i c a la n dc o n i c a lc ) c o n i c a l 如图4 所示，纵轴式掘进机的截割头形状通常有圆柱形、圆锥形以及圆锥和 圆柱组合形。柱形截割头横向截割时，截齿的轴线平行于工作面的煤壁表面，截 齿受力较好，截割头所受的轴向载荷较小。圆锥形截割头的钻孔效果最佳，能较 好的符合钻孔轮廓要求，截出的巷道表面平整，但在截割头横摆截割过程中，截 齿将要受到较大的侧向力，有明显的偏载现象，因此在设计时必须合理的安排截 齿的排列参数，来改善截齿的受力状况。锥形截割头的前端为半球形，即为球锥 组合体，该结构在进行掏槽作业时，具有截齿定位方便、起钻容易、加工工艺性 好、工作稳定，截齿受力合理等优点，本文中讨论的截割头头体即为球锥组合瞄1 。 截割头的头体上焊有螺旋叶片，沿螺旋线方向按照截线间距要求，排列安装 着齿座及截齿。螺旋叶片是用来引导破碎煤岩的流向的，其高度会影响煤岩的排 出效果，一般应保证截割头工作过程中不堵塞为前提。通常参照其它同类机型来 确定，一般取5 0 , - - 8 0 m m 。其结构有以下三种： 1 如图5 a ) 所示，在两个相邻的齿座间焊接金属板，构成连续的螺旋叶片。 1 0 第2 章截割头的数学模型 该结构形式简单，易维修，金属板的对接处不光滑，造成煤岩流出的阻力增大， 不利于煤岩的排出，叶片磨损也较严重。 a )b ) 图5 螺旋叶片 a ) 焊接式b ) 整体式 f i g5s p i r a lb l a d e a ) w e l d e dt y p eb ) i n t e g r a lt y p e 2 如图5 b ) 所示，把一连续的钢板缠绕在截割头的头体上，构成光滑的整 体螺旋叶片。这种形式技术要求高，加工工艺复杂，但工作性能好。 3 将几段钢板分别滚压然后连接成整体叶片，该形式兼有前两者的优点啪1 。 2 1 2截齿和齿座结构 由于镐型齿具有自磨刃性、耐冲击、寿命长而广泛使用在煤巷、半煤岩巷掘 进机上。镐型截齿在截割头体上采用连续的螺旋线布置，用于煤巷掘进的掘进机 的截割头体前端安装开钻的中心钻头，用于半煤岩巷掘进的掘进机的截割头前端 成球锥形，以减少开钻时破岩的工作反力。如图6 所示为截齿的结构，在截齿前 端中心孔中镶嵌硬质合金头，硬质合金头用钎焊的方法镶焊在刀体中心。 图6 截齿和齿座 f i g6c o n i c i a lb i t sa n dp i c kh o l d e r 1 1 安徽理丁大学硕士学位论文 镐形截齿的齿座的形状大体基本相似，齿座采用气体保护焊工艺直接与截割 头体相焊接。如图7 所示，为了延长截齿寿命防止截齿单方向磨损，必须保证截 齿安装在截齿座中之后，截齿能绕自身的轴线转动，以实现在参与破岩的过程中， 在与煤岩之间的相互摩擦和作用反力下自转得到自磨刃特点。在截齿和截齿座之 间镶嵌一个铜质减摩套，该套与截齿座采用过盈配合安装，与截齿采用较小间隙 配合性质来安装。 图7 齿套 f i 9 7p i c ks e t s 对于采用内喷雾除尘的系统，刀座上一般还带有喷射水雾的喷嘴，其位置一 般在截齿安装部位的附近，喷射角直接指向截齿工作的齿尖，以达到除尘、灭火 花、冷却截齿之目的口 。 2 2截齿的排列 2 2 1 截齿的排列原则 掘进机在工作的过程中，其运动一般均要有两个或两个以上的运动来合成。 为了保证截齿的平稳和连续等效工作，在截割头上的截齿( 两个用于开钻的中心 截齿除外) 均采用等截距、等周向角的螺旋方式布置，其目的是为了保证在截割 头体的每一工作周期内( 一转内) ，单齿的破岩体积相等，磨损均匀，受到的破岩 反力相近，连续平稳破岩，且在一定的工作功率的前提下，单齿的工作效率最高。 2 2 2 截齿的排列方法 掘进机截割头截齿的常用排列方式有下列两种： 1 顺序式：如图8 a ) 所示，一条截线上有两个截齿。这种排列方式应用较多， 主要是由于截割头上非均载布置截齿的方式无法实现等寿命，当某个截齿损坏或 1 2 第2 章截割头的数学模型 者磨钝后不能及时更换就会增加相邻截齿带来的负担，就会造成相邻截齿的磨损 加重，甚至折断，为了分担工作截齿的负荷，通常采用顺序式截割的排列方式。 但采用该方式截割出的煤壁上的自由面是单方向的，产生的侧向载荷是单向的， 且载荷值较大。 2 交错式：如图8 b ) 所示，即一线一齿。采用此种形式排列截齿时，工作机 构截割一次，所形成的切口分布形状呈棋盘状，并比相邻截齿超前，超前量约截 割厚度的一半，在煤壁上形成两个自由面，产生的侧向载荷是近似平衡的。另外， 一线一齿比一线多齿的块煤率大，粉尘量少汹捌。 矗矗 rr 麒 丁 厂 芦r 厂厂 _了 i 蔓j _ i if 了 a )b ) 图8 排列形式 a ) 顺序式b ) 交错式 f i g8a r r a n g ef o r m s a ) s e q u e n t i a la r r a n g e m e n tb ) i n t e r l a c e da r r a n g e m e n t 目前，截齿排列的方法常用截齿齿尖位置的排列，而准确描述截齿的方位需 绘制“四图一表 即圆锥面截齿排列图、截齿与齿座方向图、截割头顶部截齿排 列图、截齿轴向位置图、截齿座角度表，如图9 和表1 所示h 引。 表1 截齿座角度表 f i g la n g l e so f p i c kh o l d e r 截齿号 1 砣3 45 2 8 2 9 3 5 角度( 4 ) 1 085o 1 3 安徽理工大学硕士学位论文 0 。 3 3 0 。3 0 0 。2 7 0 c t 2 4 0 。2 1 0 01 8 0 。 5 0 。：2 0 。9 0 。6 0 3 0 。 f 裔警皇 = =啮 叁 8 校 。_，、 ，、。 1 、= 厂1 | 窖站 ，l、咤j 纠 u ， 1 一 、 、，l 1、：、l 、 ，：。l _ 1 、 i 一 i_，-i ，lr q b ) a ) ， 回 团 回 c ) d ) 图9 截齿排列图删 a ) 圆锥面截齿排列图b ) 截齿与齿座方向图 c ) 截割头顶部截齿排列图d ) 截齿轴向位置图 f i 9 9b i t sa r r a n g ed i a g r a m s a ) b i t sa r r a n g ed i a g r a mo f c o n i c a ls u r f a c e b ) l o c a t i o no f b i t sa n dp i c kh o l d e r c ) b i t sa r r a n g ed i a g r a mo fc o n i c a ls u r f a c ed ) a x i a ll o c a t i o no fb i t s 1 4 豳 第2 章截割头的数学模型 2 2 3 排列参数 1 螺旋头数m 和升角九 截齿排列中，螺旋头数m 是一个重要的参数，它对截距、截线间距、截齿的 切入顺序和截齿负荷均有重要的影响。如果采用单头螺旋线，则需选用较小的截 割间距t ，以降低单个截齿的受力和磨损度，但增加了被截割下来的煤岩被顺利 排出的难度，粉尘率也就提高了。如果采用多头螺旋线方式，就会造成参与截割 的截齿数不均匀，依次参与截割困难，且结构复杂，安装制造难度大。通常，依 据截割功率( 考虑煤岩的特征) 、截割头体的结构和尺寸，螺旋线的头数选用2 - 3 头均匀对称布置，在截割功率p s l 6 0 k w 的掘进机上，多采用2 头对称的螺旋线 布齿方法。 图1 0 螺旋升角九 f i g l 0h e l i xa n g l e 九 如图1 0 所示，螺旋升角九除了影响到单齿工作负荷、截齿磨损、工作角度等 以外，对被破煤岩的排出的影响较为复杂，还与截割头的具体结构和截割工作方 式相关。当截割头的结构参数一定时，随着每转钻进深度和每转横切距离的增加， 螺旋升角九应选用最大值。对于双头和三头螺旋方式布置截齿时，一般推荐选取 螺旋升角k 1 3 0 ，螺旋线的旋向与截割头旋转方向相反。 2 周向角吼 如图1 1 所示，周向角吼即在圆周方向相邻截齿之间的间距角，为了保证在 单位时间内参与截割的截齿数量相等，一般均采用等周向角岛的方式布置截齿。 1 5 安徽理工大学硕士学位论文 图1 1 周向角图1 2 截线间距 f i 9 11c i r c u m f e r e n t i a la n g l ef i g l2c u t - o f fl i n es p a c e 3 截线间距t 如图1 2 所示，截线间距t 即相邻两条螺旋线之间沿截割头轴向的距离，其大 小对掘进机的破岩效果、截齿的载荷、消耗的功率以及截割效率都有直接的影响， 截线间距的大小选择是截齿排列中的一个重要参数。若截线间距选用过大，如图 1 3 a ) 所示，将导致相邻截槽的距离过大，截齿所受的截割负荷增大，能耗增加； 若截线间距选用太小，如图1 3 b ) 所示，两个截槽相离太近，崩落效果差，破碎 效率低、不经济h h 羽。 、 、 _ ， 飞 、 r a )b ) 图1 3 截线间距对截槽的影响 a ) 间距过大b ) 间距过小 f i g13e f f e c to fc u t - o f fl i n es p a c eo ng r o o v e a ) t o of a rb ) t o oc l o s e 综合现有的文献，佳木斯煤矿机械厂的李佐民认为对最佳截线间距的选取应 根据截割头不同部位的载荷来确定，以提高截割效率作为确定截线间距的依据h 3 1 。 山东科技大学的张鑫认为以截割头载荷波动最小为目标来布置截齿h 4 i 。辽宁工程 大学的李晓豁认为截线间距应和截割厚度保持一定的比例以确保截槽形状，同时 要兼顾较小的产尘量h 5 1 。由于所研究的对象和选用掘进机的工作条件不同，截线 间距的选择推荐的方法各不同，但在实际的设计工作中，一般均认为煤岩的成形 1 6 第2 章截割头的数学模型 机理均匀，掘进机工作匀速、平缓稳，故均采用等截距的方法。 2 3截齿坐标 2 3 1 截齿坐标方程 在截割头的设计中，合理的布置截齿的排列是相当复杂和困难的。目前螺旋 线上布齿坐标的求解，常用的方法一般有：理论计算法、计算机模拟法、实验法 及实际使用经验法和图解法。由于截齿数多，计算量大，在此推荐采用理论计算 与计算机模拟相结合的方法来求解截齿的坐标位置，这样既可减轻繁重的计算量， 又可精确确定截齿坐标位置。 l 一 a ， p f 悼 除一 肚 1 1 1 0 0 图1 4 第一条螺旋线矢量图 f i g l 4t h ev e c t o ro f t h ef i r s th e l i x 为了实现计算机模拟和理论计算，必须先建立截齿坐标方程。如图1 4 所示， 坐标系的建立方法为：以截割头大端中心为坐标原点，第一个截齿齿尖的径向为 x 轴，方向由内指向外，截割头体的轴向为z 轴，方向由大端指向小端，按照右 手螺旋定则建立截割头坐标系0 x y z 。 1 第一条螺旋线上截齿齿尖数学方程的建立 取第一条螺旋线上的第i 个截齿的齿尖为研究对象，此时规定该螺旋线上布 置截齿顺序号为奇数齿。如图1 4 所示，设此截齿齿尖的坐标矢量为是，由旋转 矢量的原理可知，它是由第一个截齿的齿尖矢量忌绕z 轴旋转0 角后的扁再沿着 圆锥形截割头体的母线方向移动一个p e 得到的，具体求解如下： 1 7 安徽理工大学硕士学位论文 珀西。口黼 式中，r 螺旋参数( 下同) ，p = 尝，单位：i t i i t i ； 二巧 s 导程( 下同) ，单位：b l l n ； o 一叫轴到截齿径向的角度，单位：弧度； 庇第一个截齿齿尖方向向量； 面。第一个截齿齿尖指向圆锥顶点的单位向量。 畔卧 驴巨 ( 2 1 ) ，带入式( 2 1 ) 计算出第i 个截齿齿尖矢量为 ( 詈一岫- 譬- c o s 目 是= ic 詈一蛳争n 口 觚o 。鱼 1 2 ( 2 2 ) 式中，卜大端直径； 风截割头的圆锥角。 2 第二条螺旋线上截齿齿尖数学方程的建立 取第二条螺旋线上的第i 个截齿的齿尖为研究对象，此时规定该螺旋线上布 置截齿顺序号为偶数齿。如图1 5 所示，设此截齿齿尖的坐标矢量为r i ，由旋转 矢量的原理可知，它是由第一个截齿的齿尖矢量民绕z 轴旋转0 角后的r ：再沿 着圆锥形截割头体的母线方向移动一个p e 得到的，具体求解如下： j i i ：( 函固小p 目黔 ( 2 - 3 ) i ( 回 甄l 式中，庇第二条螺旋线的起点方向向量； 面。第二条螺旋线的起点指向圆锥顶点的单位向量； 其他符号含义同上文。 1 8 第2 章截割头的数学模型 厶 i i 奄 融 裂j ) l j _ 盯 攥 礼 型。 斟y 一 图1 5 第二条螺旋线矢量图 f i g l5t h ev e c t o ro f t h es e c o n dh e l i x 同理计算出第二条螺旋线上第i 个截齿( i 为偶数) 齿尖矢量为 r i = 一( 詈一岫- 譬) c o s 9 一每一筋；n 譬两n 口 铷s 譬 ( 2 4 ) 相邻两截齿的z 坐标之差即为截线间距t t ：z 。一z ， ( 2 5 ) 将上述三个式子联立，即可求得每个截齿齿尖的坐标。 以上是以目前应用最广的两头螺旋线布雹截齿的方法为研究对象来求解截齿 坐标方程的，对于两头以上的螺旋线的布置截齿的截齿坐标方程的求解方法与此 类似，在此不再赘述m 1 。 2 3 2 截齿坐标求解的可视化界面设计 由于该求解方法计算量大，我们采用分析与计算机相结合的方法，在理论分 析的基础上，利用v i s u a l b a s i c 软件编制坐标点的求解程序，其程序的具体对话界 面如图1 6 所示。 1 9 。 安徽理工大学硕士学位论文 图1 6 参数输入界面 f i 9 16p a r a m e t e r si n p u ti n t e r f a c e 1 原始参数的输入界面，如图1 6 所示，根据界面的提示，分别对应输入截割头 的大端直径d ( 齿尖的包络面) 、截割头的长度l ( 大端截齿到小端截齿的距 离) 、截割头半锥角譬、截齿总数n 以及截齿的螺旋线头数m ，并对给定出的 二 参数进行判断，确认无误后可进行下一步操作。在此例中以e b j l 6 0 掘进机为 例，d = - 1 1 2 0 r a m ，l - - 9 0 0 m m ，p o = 1 7 5 。，n = 3 6 ，m = 2 ，据界面的提示，分别 z 对应输