縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭輔助設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

趙麗娟　范佳藝　朱　帥

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　遼寧 阜新 123000)

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縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭輔助設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)及應(yīng)用

趙麗娟范佳藝朱帥

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院遼寧 阜新 123000)

基于煤巖截割機(jī)理及截割頭設(shè)計(jì)理論，采用MATLAB與EXCEL開(kāi)發(fā)縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件。該軟件可繪制截齒排列圖、載荷圖以及切屑圖，同時(shí)生成載荷TXT文本，為截割頭參數(shù)化建模以及掘進(jìn)機(jī)動(dòng)態(tài)仿真提供數(shù)據(jù)。使用該軟件可快捷研究各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割性能的影響，找到最優(yōu)的截割頭設(shè)計(jì)方案。以EBZ220型掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計(jì)為工程對(duì)象，以截割比能耗最低為目標(biāo)，找到最適合該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)的截割頭設(shè)計(jì)參數(shù)，生成截齒排列均勻、結(jié)構(gòu)合理的截割頭實(shí)體模型。為縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)提供了一種新的方法，具有重要的理論意義及工程應(yīng)用價(jià)值。

截割頭輔助設(shè)計(jì)參數(shù)化截割性能

0　引　言

巷道掘進(jìn)是煤炭開(kāi)采的重要環(huán)節(jié)，隨著采掘技術(shù)的不斷發(fā)展，礦井產(chǎn)量及巷道斷面不斷擴(kuò)大[1]，對(duì)掘進(jìn)機(jī)的截割功率及產(chǎn)量也提出了新的要求。截割頭是掘進(jìn)機(jī)直接參與破碎煤巖的工作機(jī)構(gòu)，截割頭設(shè)計(jì)得是否合理決定著掘進(jìn)機(jī)的使用性能、工作可靠性及壽命[1,2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)截割頭進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)方面開(kāi)展了廣泛研究：20世紀(jì)80年代，英國(guó)國(guó)家煤炭委員會(huì)(NCB)的礦業(yè)研究與開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)(MRDE)研制出了世界上第一個(gè)掘進(jìn)機(jī)截割頭及采煤機(jī)滾筒設(shè)計(jì)的CAD軟件包[3]；Rostami通過(guò)實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)了橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)軟件，該軟件可以通過(guò)運(yùn)行程序得到不同截齒圓周角下的功率、力矩、圓周力等信息，通過(guò)對(duì)比這些數(shù)據(jù)來(lái)確定截齒間最優(yōu)圓周角[4]； Acaroglu等通過(guò)開(kāi)發(fā)的掘進(jìn)機(jī)穩(wěn)定性分析軟件，分析了截齒傾角、截割頭形狀這些結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)穩(wěn)定性的影響[5]；李曉豁等圍繞截割頭結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)進(jìn)行了理論研究，編制了縱軸式截割頭優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件程序，通過(guò)對(duì)比生成的截齒排列圖、載荷曲線以及截割比能耗以達(dá)到改善截割性能的目的[6]。他采用MATLAB實(shí)現(xiàn)了對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割硬巖載荷的模擬[7-9]，基于MATLAB GUI編程實(shí)現(xiàn)了截割頭螺旋線及截齒分布的設(shè)計(jì)[10]；劉寶國(guó)利用VC++和MATLAB聯(lián)合編制重型掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)程序，該程序可以實(shí)現(xiàn)輸入?yún)?shù)得到截齒排列與受力曲線[11]；劉煒煌等利用三維繪圖和數(shù)值計(jì)算軟件，分析了崩落線間距對(duì)截割性能的影響，得出選定截割頭最佳轉(zhuǎn)速與橫擺速度的方法[12]；黃田等以截割頭載荷波動(dòng)為目標(biāo)函數(shù)建立截線間距優(yōu)化模型，采用遺傳算法對(duì)掘進(jìn)機(jī)截線間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[13]。

在充分研究截割頭設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，綜合考慮掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)、多個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)其截割性能的影響，開(kāi)發(fā)“掘進(jìn)機(jī)截割頭輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件”，為截割頭設(shè)計(jì)提供了一種新方法。軟件將MATLAB的數(shù)據(jù)計(jì)算能力與EXCEL的數(shù)據(jù)處理能力相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)截齒排列、截割性能計(jì)算以及切削圖的生成，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的目的，顯著提高設(shè)計(jì)效率，具有重要的理論意義及工程應(yīng)用價(jià)值。

1　截割頭設(shè)計(jì)的理論研究

1.1縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)

縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭由頭體、螺旋葉片、截齒以及齒座等組成[14]。目前，截割頭普遍采用圓柱段、圓錐段及圓球段的結(jié)構(gòu)形狀[15]，其結(jié)構(gòu)參數(shù)包括：截割頭的長(zhǎng)度、直徑、錐角、螺旋葉片的頭數(shù)與升角等。螺旋葉片頭數(shù)影響排屑量，一般宜采用兩頭或三頭，且升角大于13°。

1.2截割頭截齒排列參數(shù)

截齒排列參數(shù)包括[16]：每條截線的齒數(shù)、截線間距、截齒的相對(duì)位置等。采用順序式排列時(shí)，每線齒數(shù)與螺旋葉片頭數(shù)相等；采用交叉式排列時(shí)，每線齒數(shù)為一個(gè)。采用每線一齒、較小的截線距，可提高塊率，降低粉塵的產(chǎn)生量，因此優(yōu)先采用每線一齒。截槽參數(shù)如圖1所示。

圖1　截槽參數(shù)示意圖

圖1中：t—截線間距，mm；hmax—最大切屑厚度，mm；r—齒尖半徑，mm；φ—崩落角，°。其中hmax可按式(1)計(jì)算：

hmax=1000·Vb(L+Lf)/(Vzs·L)

(1)

式中：Vb—截割頭大端面處橫擺速度，m/min；L—截割頭大端面與搖臂回轉(zhuǎn)中心的距離，mm；Vzs—截割頭轉(zhuǎn)速，r/min；Lf—第一條截線距截割頭大端面的距離，其值為截割頭尾片厚度與半個(gè)截齒齒座厚度之和，mm。

截齒的相對(duì)位置，對(duì)于采用順序式排布，應(yīng)保證同一截線上相鄰兩個(gè)截齒的圓周角差為：

(2)

式中：m為每線齒數(shù)。

對(duì)于采用交叉式排布的情況，第i條截線上截齒的圓周角φi與相鄰截線上截齒的角度φi+1、φi-1保持如下關(guān)系：

(3)

式中：m0為螺旋頭數(shù)。

截割頭圓柱段截線條數(shù)n1按式(4)計(jì)算：

(4)

式中：floor代表向下取整；Lyz—圓柱段長(zhǎng)度，mm；t1—圓柱段截線距，mm。

圓錐段截線可按等距和等差兩種方式排布，等距排布時(shí)，圓錐段截線距與圓柱段截線距相等；等差排布時(shí)，設(shè)計(jì)公差d，按圓錐段原則計(jì)算截線距，其條數(shù)n2按式(5)、式(6)計(jì)算：

(5)

(6)

式中：Lyc—圓錐段長(zhǎng)度，mm；t2—圓錐段截線距，mm；Lyz_s—圓柱段剩余長(zhǎng)度，mm；d—公差。

球段截線按照等度原則排列，如圖2所示。

由圖2可知，球段傾角每轉(zhuǎn)過(guò)θ0度布置一條截線，截線距逐漸減小，采用這種排布方式可使截割頭頂部截齒更緊密，能夠避免因截齒傾角變化大而使單齒受力較大的狀況。球段截線條數(shù)n3按式(7)計(jì)算：

n3=(90-θf(wàn))/θ0

(7)

式中：θf(wàn)—圓球段第一條截線的傾角；θ0—等度原則。

各段截齒沿截割頭軸向距截割頭大端面的距離可按式(8)-式(11)計(jì)算：

z(i)=Lf+(ni-1)·t1(圓柱段)

(8)

z(i)=Lyz-Lyz_s+(ni-n1)·t2(圓錐等距)

(9)

z(i)=Lf+(n1-1)·t1+(ni-n1-1)·t2-

(ni-n1-1)2·d/2(圓錐等差)

(10)

z(i)=R·sinθi-OB+Lyz+Lyc(圓球段)

(11)

式中：R—球半徑，mm； θi—第i把截齒的傾角。

各段截割半徑r(i)按式(12)-式(14)計(jì)算：

r(i)=D/2(圓柱段)

(12)

r(i) = D/2-tan(bzj)·(z(i)-Lyc)(圓錐段)

(13)

r(i)=R·cosθi(圓球段)

(14)

式中：D—圓柱段直徑，mm；bzj—半錐角。

2　截割頭輔助設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)

截割頭輔助設(shè)計(jì)程序總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。截割頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)、公共參數(shù)以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)從EXCEL讀入，經(jīng)軟件計(jì)算后，將結(jié)果寫(xiě)入EXCEL中，同時(shí)生成的截齒排列圖、載荷圖以及切屑圖用于評(píng)價(jià)截割頭設(shè)計(jì)的合理性。

圖3　程序總體結(jié)構(gòu)框圖

2.1截齒排列部分

截齒排列部分流程如圖4所示。讀入EXCEL中參數(shù)，按照恰好不產(chǎn)生煤脊的原則確定圓柱段截線距t1，按式(4)計(jì)算圓柱段截線條數(shù)、圓柱段剩余長(zhǎng)度；通過(guò)if語(yǔ)句判斷，確定圓錐段第一條截線距的計(jì)算方法，程序按式(5)或式(6)確定圓錐段截線條數(shù)；球段截線采用等度原則排布，按式(7)確定截線條數(shù)。將結(jié)果寫(xiě)入EXCEL中，同時(shí)繪制截齒排列圖。

圖4　截齒排列部分流程圖

2.2載荷計(jì)算部分

載荷計(jì)算部分流程如圖5所示。

圖5　載荷計(jì)算部分流程圖

2.3切屑圖繪制部分

切屑圖繪制部分流程如圖6所示。根據(jù)截齒排列方式及輸入?yún)?shù)，首先確定各個(gè)截齒齒尖點(diǎn)的位置；然后根據(jù)截槽形成的順序，求相鄰兩截齒的上、下崩落線相交而形成的上、下交點(diǎn)；最后連接交點(diǎn)與齒尖點(diǎn)形成崩落線，到達(dá)循環(huán)次數(shù)繪制出切屑圖。

圖6　切屑圖繪制部分流程圖

3　截割頭輔助設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用

掘進(jìn)機(jī)截割頭輔助設(shè)計(jì)軟件不僅能夠完成截齒排列、截割性能參數(shù)計(jì)算等功能，而且可以研究各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)截割頭性能的影響。兗礦集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)的EBZ220型掘進(jìn)機(jī)截割頭采用了該軟件。通過(guò)對(duì)橫擺速度、截割頭轉(zhuǎn)速、葉片螺旋升角、頭數(shù)以及截齒的排列方式對(duì)截割性能影響的研究，以截割比能耗最低為目標(biāo)[17]，得到了截割頭最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)。采用三頭螺旋葉片交叉式排列，螺旋升角為15.5°，截割頭轉(zhuǎn)速為46.7 r/min。基于煤巖賦存條件及該型掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)態(tài)可靠性要求[18,19]，將理論橫擺速度定為1.106 m/min，此時(shí)截割比能耗為4.9，截割電機(jī)功率為217.49 kW。截齒排列圖如圖7所示，載荷曲線如圖8、圖9所示，橫擺及鉆進(jìn)工況切屑圖如圖10、圖11所示，截割頭三維實(shí)體模型如圖12所示，生產(chǎn)的截割頭如圖13所示。

圖7　截齒排列圖

圖8　橫擺載荷曲線

圖9　鉆進(jìn)載荷曲線

圖10　橫擺切屑圖

圖11　鉆進(jìn)切屑圖

圖12　截割頭三維實(shí)體模型

圖13　采用軟件設(shè)計(jì)生產(chǎn)的截割頭

由圖10、圖11可見(jiàn)，截割頭主要截割部分形成的切屑面積均勻、塊度較大。觀察截割頭三維實(shí)體模型，其頂部截齒齒座并未出現(xiàn)干涉情況，截齒排列均勻、結(jié)構(gòu)合理，因此在保證截割性能的前提下，該截割頭設(shè)計(jì)合理，滿足使用要求。

4　結(jié)　語(yǔ)

(1) 在充分研究煤巖截割機(jī)理及截割頭設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，采用MATLAB與EXCEL聯(lián)合開(kāi)發(fā)了縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭輔助設(shè)計(jì)及載荷計(jì)算軟件。

(2) 實(shí)現(xiàn)了截割頭的參數(shù)化設(shè)計(jì)及其截齒排列圖、切屑圖、載荷圖的繪制。既可為掘進(jìn)機(jī)的動(dòng)態(tài)可靠性分析提供載荷文本，也可為截割頭參數(shù)化建模提供依據(jù)。

(3) 使用該軟件可快捷研究截割頭各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割性能的影響，通過(guò)對(duì)比分析可找到最優(yōu)的截割頭設(shè)計(jì)方案。為掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)提供了一種新方法，具有重要的理論意義及工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 趙麗娟,劉旭南,曹拓.縱軸式掘進(jìn)機(jī)橫擺運(yùn)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤炭學(xué)報(bào),2012,37(12):2112-2117.

[2] 趙麗娟,馬聯(lián)偉.薄煤層采煤機(jī)可靠性分析與疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].煤炭學(xué)報(bào),2013,38(7):1287-1292.

[3] Hurt K G,McAndrew K M.Designing roadheader cutting heads[J].The Mining Engineer,1981,141(240):167-170.

[4] Rostami J,?zdemir L,Neil David M.Application of heavy duty roadheaders for underground development of the Yucca Mountain Exploratory Study Facility[C]//Proceedings of the 5th Annual International Conference on HighRadioactive Waste Management,Las Vegas:Institute of Shaft Drilling Technology,1994:395-402.[5] Acaroglu O,Ergin H.The effect of cutting head shapes on roadheader stability[J].Transactions of the Institutions of Mining and Metallurgy,2005,114(3):140-146.

[6] 李曉豁,李貴軒,隗金文,等.掘進(jìn)機(jī)縱向截割頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械,1993(7):2-7.

[7] 李曉豁,姜麗麗.掘進(jìn)機(jī)截割硬巖的載荷模擬研究[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2008,6(4):415-417.

[8] 李曉豁,劉興剛.縱橫軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭載荷的模擬分析[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,27(5):745-747.

[9] 李曉豁,閆建偉,張惠波,等.割巖截齒的應(yīng)力分布及其載荷的仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2011,28(11):405-408.

[10] 李曉豁,史秀寶,焦麗,等.縱軸式掘進(jìn)機(jī)截齒排列的參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2012,22(1):28-32.

[11] 劉寶國(guó).重型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué),2011.

[12] 劉煒煌,韓振南,張倩倩,等.EBZ-160型掘進(jìn)機(jī)截割頭最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)確定方法[J].礦山機(jī)械,2014,42(7):15-18.

[13] 黃田,李春英.基于遺傳算法的掘進(jìn)機(jī)截割頭截線間距優(yōu)化研究[J].煤礦機(jī)械,2014,35(11):51-53.

[14] 李發(fā)泉.掘進(jìn)機(jī)截割頭破巖過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)研究[D].阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,2011.

[15] 張夢(mèng)奇.截齒排布螺旋線對(duì)縱向截割頭性能的影響[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2013,41(12):84-88.

[16] 王想,王清峰,譚正生.縱軸式截割頭截齒布置對(duì)破巖載荷規(guī)律的影響[J].工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào),2012,19(1):39-42.

[17] 劉送永,杜長(zhǎng)龍,崔新霞,等.不同齒身錐度和合金頭直徑截齒的截割試驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(9):1276-1280.

[18] 趙麗娟,田震,孫影,等.縱軸式掘進(jìn)機(jī)振動(dòng)特性研究[J].振動(dòng)與沖擊,2013,32(11):17-20.

[19] 趙麗娟,董萌萌.含硫化鐵結(jié)核薄煤層采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)載荷問(wèn)題[J].煤炭學(xué)報(bào),2009,34(6):840-844.

DEVELOPMENT AND APPLICATION OF AIDED DESIGN SOFTWARE FOR CUTTING HEAD OF ROADHEADER

Zhao LijuanFan JiayiZhu Shuai

(CollegeofMechanicalEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,Liaoning,China)

Based on the coal-rock cutting mechanism and the design theory of longitudinal roadheader cutting head, we developed the software of aided design and load calculation for cutting head of roadheader by using MATLAB and EXCEL. The software can draw the pick arrangement diagram, load diagram and swarf diagram, and generate load TXT text at the same time. It provides the data for parametric modelling of cutting head and dynamic simulation of longitudinal roadheader. The use of this software can fast study the effects of different design parameters on cutting performance of roadheader, thus finds the optimal design scheme of cutting head. Taking the design of cutting head of type EBZ220 roadheader as the engineering object, and the minimum energy consumption of cutting ratio as the target, we found the design parameters mostly suitable for this type of roadheader cutting head, and created the solid model of cutting head with uniform pick arrangement and reasonable structure. The research provides a new method for designing the longitudinal roadheader cutting head, and has theoretical significance and strong engineering application value as well.

Cutting headAided designParametricCutting performance

2015-03-15。“十一五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2007BAF12B00)；遼寧省教育廳創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2007T070)。趙麗娟，教授，主研領(lǐng)域：復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的建模與仿真，機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析與控制。范佳藝，碩士生。朱帥，碩士。

TP319

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.10.046