掘进机截割硬岩载荷分析.docx

1、掘进机截割硬岩载荷分析掘进机截割硬岩载荷分析摘要掘进机是巷道掘进的主要设备，截割头的载荷影响掘进机各部件的使用寿命，同时对截齿、截割头和工作机构在截割岩石时的载荷状况进行了分析并建立数学模型，用matlab对单个截齿的截割阻力、牵引力、侧向力和截割头的整体升力、横切阻力、推进阻力在各个位置变化规律，对截割头的截割性能提供了一定的理论参考依据和方法。关键字：掘进机；截割头；matlab；载荷；模拟1 绪论从运动学角度分析，截割过程可以分为纵向进给截割(掏槽)和横向摆动截割，其中横向摆动截割又分为水平截割和垂直截割。由于截割头主要工作在横向摆动截割状态，因此本文研究截割头横向摆动截割时载荷变化情况

2、。在截割岩石过程中，截齿要受到挤压力、磨擦力等作用，所有力在截割方向、进给方向及侧向分解，即可得到截割阻力Z、牵引阻力Y和侧向力X。作用在截齿上的截割阻力的计算方法，目前国内外尚无公认的统一公式，世界各国对截齿阻力的计算方法的研究还在继续，前苏联、日本、德国等国家根据各自的研究方法和手段，先后提出了截齿受力的计算方法。下面给出的是最常用的截齿载荷计算方法。下面以目前最常用的计算截齿载荷的方法，进行模型建立1。2 截割头载荷分析 根据某一瞬时所有参与截割的截齿载荷的矢量和即为截割头在这一时刻的载荷，建立截割头瞬时载荷力学模型。在建立截割头的力学模型之前，需对截割头进行以下基本假设：截齿的载荷主要

3、集中在齿尖处；忽略截齿的体积和质量。2.1 单个截齿受力计算首先对单个截齿的受力进行分析，截齿在截割硬岩的过程中，作用在截齿上的力主要有截割阻力Z、牵引阻力Y和侧向力X。截割阻力Z为：牵引阻力Y为：侧向阻力X为：式中，h 平均切削厚度4（mm）； hi切削厚度2（mm）；ti 截线间距3（mm）；Pk岩石的接触强度2（MPa），应通过实验测定；Sj截齿后刃面磨钝后在牵引方向的投影3(mm2)；kT截齿的类型系数3，镐形齿为1.5，刀形齿取1；kg截齿几何形状影响系数3，镐形齿;k硬质合金刀头形状系数3；k刀杆头部形状系数3；kd 硬质合金刀头直径系数3；ky截齿截角影响系数3；C1，C2，C3

4、切削图影响系数3，顺序式分别为：1.4,0.3,0.15；交叉式分别取：1.0,0.2,0.10。2.2 截割头载荷计算以截割头底部中点为原点建立空间直角坐标系oabc，如图1所示。图1 截割头受力简图任意时刻(j)截割头上第i个截齿所受的截割阻力，牵引阻力和侧向力如图1所示2。截割头截割总阻力矩是截割头截割载荷分析的重要组成部分。反映了截割臂承受转矩的大小。截割阻力矩大小的计算公式为。截割头齿尖包络面如图2所示。图2 截割头包络面简图包络面大致可以分为三部分：球面段，圆锥段和圆柱段。可见不同位置截齿的旋转半径不同。将参与截割的第i个截齿的三个阻力分解到a、b、c三个方向，可得，式中,i第i个

5、截齿的工作位置角；i第i个截齿的安装角； Zi第i个截齿所受的截割阻力； ri第i个截齿齿尖距截割头轴线的距离。将此时刻所有参与截割的截齿的三个阻力分解到a、b、c三个方向，通过矢量求和可得截割升力Raj，横切阻力Rbj，推进阻力Rcj，总阻力矩Mj如下,方向如图1所示。式中，n某时刻所有参与截割的截齿数。3 截割头载荷模拟3.1 截割头整体载荷变化分析在截割过程中，截割旋转两周载荷变化情况如图3所示。图3 截割头载荷变化曲线 图4 某个角度各个截齿截割阻力变化曲线截割头载荷包括截割头截割升力Raj (a方向合力)、横切阻力Rbj (b方向合力)、推进阻力Rcj(c方向合力)三个方向的分力和截

6、割头总阻力矩Mj。从图3可知，截割升力最大，横切阻力次之，推进阻力最小。截割升力、横切阻力和总阻力矩的波动较大，推进阻力的得波动最小。因为本文研究的是截割头横向摆动时载荷变化，因此推进阻力数值最小与波动最小与实际相符。3.2 截割头某个角度各个截齿载荷变化分析如图4所示，以0。、90。、180。为例说明各个截齿截割阻力的变化情况。截割阻力Zi是切削厚度hi的函数，hi是截齿工作角的正弦函数，因此其变化规律是类正弦曲线。0度时，第23个齿处于184度不参与截割，即1-22齿参与截割，23-45齿不参与截割，第11个齿处于最大切削厚度处，其截割阻力最大。90度时，第12个齿处于186度不参与截割，

7、第33个齿处于354度不参与截割，也就是1-11和34-45齿参与截割，12-33齿不参与截割，第1个齿处于最大切削厚度处，其截割阻力最大。180度时，第22齿处于356度不参与截割，即1-22齿不参与截割，23-45齿参与截割，第34个齿处于最大切削厚度处，其截割阻力最大。如图5所示，以0。、90。、180。为例说明各个截齿牵引阻力的变化情况。 图5某个角度各个截齿牵引阻力变化曲线 图6某个角度各个截齿侧向力变化曲线牵引阻力Yi是截割阻力Zi的函数，因此其变化规律是类正弦曲线。0度时，第23个齿处于184度不参与截割，即1-22齿参与截割，23-45齿不参与截割，第11个齿处于最大切削厚度处

8、，其牵引阻力最大。90度时，第12个齿处于186度不参与截割，第33个齿处于354度不参与截割，也就是1-11和34-45齿参与截割，12-33齿不参与截割，第1个齿处于最大切削厚度处，其牵引阻力最大。180度时，第22齿处于356度不参与截割，即1-22齿不参与截割，23-45齿参与截割，第34个齿处于最大切削厚度处，其牵引阻力最大。如图6所示，以0。、90。、180。为例说明各个截齿侧向力的变化情况。侧向力Xi是截割阻力Zi的函数，因此其变化规律是类正弦曲线。0度时，第23个齿处于184度不参与截割，即1-22齿参与截割，23-45齿不参与截割，第11个齿处于最大切削厚度处，其侧向力最大。

9、90度时，第12个齿处于186度不参与截割，第33个齿处于354度不参与截割，也就是1-11和34-45齿参与截割，12-33齿不参与截割，第1个齿处于最大切削厚度处，其侧向力最大。180度时，第22齿处于356度不参与截割，即1-22齿不参与截割，23-45齿参与截割，第34个齿处于最大切削厚度处，其侧向力最大。3.3 截割头某个截齿各个角度载荷变化分析如图7所示，以第一、第十、第二十齿为例说明各个角度截割阻力的变化情况。 图7 某个截齿各个角度截割阻力变化曲线 图8 某个截齿各个角度牵引阻力变化曲线截割阻力Zi是切削厚度hi的函数，hi是截齿工作角的正弦函数，因此其变化规律是类正弦曲线。第

10、一个截齿从0度开始，在0到180度范围内参与截割。在90度即切削厚度最大时截齿所受截割阻力最大。180度到360度范围内截齿所受载荷为零，即截齿不参与截割。第十个截齿初始位置为80度，已经进入截割状态，旋转100度后不参与截割，再旋转180度后重新开始截割，其在90度时截齿所受截割阻力最大。第二十个截齿初始位置为160度，已经进入截割状态，旋转20度后结束截割，再旋转180度后重新开始截割，其在90度时截齿所受截割阻力最大。如图8所示，以第一、第十、第二十齿为例说明各个角度牵引阻力的变化情况。牵引阻力Yi是截割阻力Zi的函数，因此其变化规律是类正弦曲线。第一个截齿从0度开始，在0到180度范围

11、内参与截割。在90度即切削厚度最大时截齿所受牵引阻力最大。180度到360度范围内截齿所受载荷为零，即截齿不参与截割。第十个截齿初始位置为80度，已经进入截割状态，旋转100度后不参与截割，再旋转180度后重新开始截割，其在90度时截齿所受牵引阻力最大。第二十个截齿初始位置为160度，已经进入截割状态，旋转20度后结束截割，再旋转180度后重新开始截割，其在90度时截齿所受牵引阻力最大。如图9所示，以第一、第十、第二十齿为例说明各个角度侧向力的变化情况。侧向力Yi是截割阻力Zi的函数，因此其变化规律是类正弦曲线。第一个截齿从0度开始，在0到180度范围内参与截割。在90度即切削厚度最大时截齿所

12、受侧向力最大。180度到360度范围内截齿所受载荷为零，即截齿不参与截割。图9 某个截齿各个角度侧向力变化曲线第十个截齿初始位置为80度，已经进入截割状态，旋转100度后不参与截割，再旋转180度后重新开始截割，其在90度时截齿所受侧向力最大。第二十个截齿初始位置为160度，已经进入截割状态，旋转20度后结束截割，再旋转180度后重新开始截割，其在90度时截齿所受侧向力最大。3.4 截割头阻力矩变化分析如图10所示，以0。、90。、180。为例说明各个截齿阻力矩的变化情况。 图10 某个角度各个截齿力矩变化曲线 图11 某个截齿各个角度力矩变化曲线阻力矩Mi是截割阻力Zi与截齿工作半径ri的函

13、数，因此在截割阻力最大时，阻力矩不一定最大。显然只有在截齿参与截割时，截齿所受阻力矩才存在。0度时，第23个齿处于184度不参与截割，即1-22齿参与截割，23-45齿不参与截割；90度时，第12个齿处于186度不参与截割，第33个齿处于354度不参与截割，也就是1-11和34-45齿参与截割。12-33齿不参与截割；180度时，第22齿处于356度不参与截割，即23-45齿参与截割，1-22齿不参与截割。如图11所示以第一、第十二和第二十三齿为例说明各个角度阻力矩变化情况。当截齿确定以后其截割半径就是一定的。这时截割阻力矩只是截割阻力的函数。第一个截齿从0度开始，在0到180度范围内参与截割

14、，在90度即切削厚度最大时截齿所受阻力矩最大，180度到360度截齿所受力矩为零，360度以后再次参与截割。第十二个截齿初始位置为96度，已经进入截割状态，旋转84度后不参与截割，再旋转180度后重新进行截割，力矩的变化规律与第一个截齿相同。第二十三个截齿初始位置为184度，未进入截割状态，旋转176度后开始截割，再旋转180度后不再参与截割，力矩的变化规律与第一个齿相同。4结论由上分析可见，截割头上得载荷大小事随所处位置变化的，为动态负载，他们作用在截割头传动系统的所有零部件以及掘进机上其他的部件上。为了延长掘进机零部件的寿命，为了改善掘进机的模态，就应该利用以上分析方法确定截割头的载荷，并

15、进行研究和改进设计。参考文献1 王丹. 纵轴式硬岩掘进机截割机构的力学性能与参数优化D. 辽宁:辽宁工程技术大学, 2009(4):492 潘先锋.EBZ-255型掘进机截割头截割性能研究D.安徽:安徽理工大学硕士论文.2011(11):39443 李晓豁.掘进机截割的关键技术研究M.北京:机械工业出版社,2008(1):5967,87944 毛君.郭丹丹.纵轴式掘进机截齿受力与有限元分析J.煤矿机械.2006.27(4):13附录Matlab程序如下，%硬岩截割头理想情况载荷分析clear,clc;Qi=0;%截齿在工作时的角度 radn=30;%截割头转速 r/minm=1; %每条截割线

16、上截齿数v=0.8;%截割头横向摆动速度 m/minti=20;%截线间距 mmSj=20;%截齿后刃面磨钝后在牵引方向的投影 mm2Pk=1400;%岩石接触强度 Mpak1=1.5;%截齿类型系数k2=0.11;%截齿几何形状影响系数 k2=k01*k02*k03k3=0.5;%截齿截角(切削角)影响系数h=2*1000*v/(n*m*pi);%是一个待定参数r1=0;%截齿工作半径C1=1.0;C2=0.2;C3=0.1;mount_angle=45;%安装角MM=45;%截齿数cycle=1;%分析周期数interval=360;%每个周期间隔数NN=linspace(0,360*cy

17、cle,interval*cycle+1);Xe=zeros(MM,interval*cycle+1);Ye=zeros(MM,interval*cycle+1);Ze=zeros(MM,interval*cycle+1);a1=zeros(MM,interval*cycle+1);b1=zeros(MM,interval*cycle+1);c1=zeros(MM,interval*cycle+1);ri=zeros(MM,interval*cycle+1);Me=zeros(MM,interval*cycle+1); for N=NN;%N循环步长 for M=1:1:MM %M截齿数 Qi

18、=N+360/MM*M;%角度 if 0=mod(Qi,360)&mod(Qi,360)=180 %QI对360取余数，如果在0,180区间，则参与切削，计算其切削载荷 if M=1|M=4|M=7|M=17|M=20|M=23|M=33|M=36|M=39 %圆柱段共9个齿 mount_angle=0; ri(M,N*interval/360+1)=400; elseif M=8|M=11|M=14 %圆弧段1、2、3齿 mount_angle=70; ri(M,N*interval/360+1)=(1302-(130*(M-8)/3+1)/9)2)0.5+60; elseif M=24|M

19、=27|M=30 %圆弧段4、5、6齿 mount_angle=70; ri(M,N*interval/360+1)=(1302-(130*(M-24)/3+4)/9)2)0.5+60; elseif M=37|M=40|M=43 %圆弧段7、8、9齿 mount_angle=70; ri(M,N*interval/360+1)=(1302-(130*(M-37)/3+7)/9)2)0.5+60; elseif M=10|M=13|M=16|M=19|M=22|M=25%圆锥段1-6齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(66

20、0-660*(M-10)/3+1)/27)*aa+190; elseif M=26 %7齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*7/27)*aa+190; elseif M=28 %8齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*8/27)*aa+190; elseif M=29 %9齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*9/27)*aa+190;

21、elseif M=31 %10齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*10)/27)*aa+190; elseif M=32 %11齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*11/27)*aa+190; elseif M=34 %12齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*12/27)*aa+190; elseif M=35 %13齿 mount_

22、angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*13/27)*aa+190; elseif M=38 %14齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*14/27)*aa+190; elseif M=41 %15齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*15)/27)*aa+190; elseif M=42 %16齿 mount_angle=45; aa=210/660; r

23、i(M,N*interval/360+1)=(660-660*16/27)*aa+190; elseif M=44 %17齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*17/27)*aa+190; elseif M=45 %18齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*18/27)*aa+190; elseif M=2 %19齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(66

24、0-660*19/27)*aa+190; elseif M=3 %20齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*20/27)*aa+190; elseif M=5 %21齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*21/27)*aa+190; elseif M=6%22齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*22/27)*aa+190; elseif

25、M=9|M=12|M=15|M=18|M=21 %23-27齿 mount_angle=45; aa=210/660; ri(M,N*interval/360+1)=(660-660*(M-9)/3+23)/27)*aa+190; end hi=1000*v*sin(Qi*pi/180)/(n*m);%切削厚度 Ze(M,N*interval/360+1)=Pk*(k1*k2*k3*(0.25+0.18*ti*hi)+0.1*Sj);%截割阻力Ze Ye(M,N*interval/360+1)=Ze(M,N*interval/360+1)*(0.15+0.00056*Pk)*2.5./h.0.

26、4; Xe(M,N*interval/360+1)=Ze(M,N*interval/360+1)*(C1/(C2+h)+C3)*h/ti;%侧向力Xe%总体坐标系a方向单个齿受力a1(M,N*interval/360+1)=-Ye(M,N*interval/360+1)*cos(Qi*pi/180)*cos(mount_angle*pi/180)+Ze(M,N*interval/360+1)*sin(Qi*pi/180);%总体坐标系b方向单个齿受力 b1(M,N*interval/360+1)=-(-Ye(M,N*interval/360+1)*sin(Qi*pi/180)*cos(moun

27、t_ang le*pi/180)+Ze(M,N*interval/360+1)*cos(Qi*pi/180); %总体坐标系c方向单个齿受力c1(M,N*interval/360+1)=Xe(M,N*interval/360+1); %阻力矩 Me(M,N*interval/360+1)=Ze(M,N*interval/360+1)*ri(M,N*interval/360+1)/1000; end endenda2=sum(a1);%总体坐标系a方向合力b2=sum(b1);%总体坐标系b方向合力c2=sum(c1);%总体坐标系c方向合力d2=sum(Me); %总力矩% plot(1:MM

28、,Ze(:,1),Ze(:,91),Ze(:,181);%某一个角度各个齿的截割阻力变化% set(gca, FontName, Times New Roman, Fontsize, 16);% xlabel(齿编号)% ylabel(截割阻力/N)% legend(0度,90度,180度)% plot(1:MM,Ye(:,1),Ye(:,91),Ye(:,181);%某一个角度各个齿的牵引阻力变化% set(gca, FontName, Times New Roman, Fontsize, 16);% xlabel(齿编号)% ylabel(牵引阻力/N)% legend(0度,90度,18

29、0度)% plot(1:MM,Xe(:,1),Xe(:,91),Xe(:,181);%某一个角度各个齿的侧向力变化% set(gca, FontName, Times New Roman, Fontsize, 16);% xlabel(齿编号)% ylabel(侧向力/N)% legend(0度,90度,180度)% plot(NN,Ze(1,:),Ze(10,:),Ze(20,:);%某个齿各个角度的截割阻力变化% set(gca, FontName, Times New Roman, Fontsize, 16);% xlabel(角度)% ylabel(截割阻力/N)% legend(第一

30、齿,第十齿,第二十齿) % plot(NN,Ye(1,:),Ye(10,:),Ye(20,:);%某个齿各个角度的牵引阻力变化% set(gca, FontName, Times New Roman, Fontsize, 16);% xlabel(角度)% ylabel(牵引阻力/N)% legend(第一齿,第十齿,第二十齿) % plot(NN,Xe(1,:),Xe(10,:),Xe(20,:);%某个齿各个角度的侧向力变化% set(gca, FontName, Times New Roman, Fontsize, 16);% xlabel(角度)% ylabel(侧向力/N)% legend(第一齿,第十齿,第二十齿) % plot(1:MM,Me(:,1),Me(:,91),Me(:,181);%某一个角度各个齿的力矩变化% set(gca, FontName, Times New Roman, Fontsize, 16);% xlabel(齿编号)% yla