采掘機械截割裝置設計及檢測技術研究進展

摘要：介紹采掘機械截割裝置上截齒排布的特點和空間位姿控制參數，分析了通過編制專用設計程序實現參數化排布截齒的可實現性。對國內外掘進機、連續采煤機和滾筒式采煤機截割裝置的專用設計軟件及其功能進行了分類介紹，為后續截割裝置設計性能分析提供技術依據。基于露天采礦裝備截割滾筒截齒磨損自動檢測技術，提出了適用于煤礦井下截割條件相似的連續采煤機和掘錨機組截割滾筒的截齒磨損自動檢測方法，為未來智慧礦山無人化開采提供技術參考。

Abstract： The characteristics of pick arrangement on cutting device of mining machinery and the control parameters for spatial posture of picks were introduced， and the realization of parameterized arrangement for picks by a special design program was analyzed. The special design softwares and their functions of cutting devices for domestic and foreign roadheaders， continuous miner， and drum shearers were classified and introduced， which providing a technical support for the analysis of design performance of subsequent cutting devices. Based on the automatic detection technology of cutting drum pick wear of open-pit mining equipment， this paper puts forward an automatic detection method of cutting drum pick wear for continuous miner and bolter miner， which have similar cutting conditions of coal mine underground， and provides technical reference for unmanned mining of intelligent mine in the future.

關鍵詞：采掘機械;截割裝置;截齒;設計軟件;磨損檢測

Key words： mining machinery;cutting device;pick;design software;wear detection

中圖分類號：TD42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0183-05

0? 引言

截割裝置是采掘機械破巖的關鍵部件，根據采掘機械工作形式不同，截割裝置可分為掘進機所使用的截割頭以及連續采煤機或采煤所使用截割滾筒。無論截割頭或是截割滾筒外形通常為圓柱體、圓錐體、球體的單純組合結構或由上述特征擬合形成復雜表面輪廓結構。截齒在截割裝置上以螺旋線形式有序排列，其分布位置和空間姿態角度對截割載荷、截割能耗、截割振動以及煤巖塊度、截齒磨損等采掘裝備工作性能影響顯著。本文主要介紹目前國內外在截割頭和截割滾筒設計中使用的軟件系統及其功能，為采掘機械截割裝置設計專用軟件的研發提供參考。

1? 齒座在截割裝置上的分布特點

齒座以一定空間姿態焊接在截割裝置表面，截齒安裝在齒座孔中，齒尖按照特殊的空間螺旋線排布在截割裝置上。以圖1所示縱軸式截割頭為例，截齒齒尖繞截割頭主坐標系繞行θ角后沿Z軸移動相依的距離后到達P點，位于P點的截齒和齒座裝配體按照先繞Y1軸旋轉倒角β，再繞X2-3軸旋轉轉角α，最后繞Z3-4軸旋轉仰角μ，使截齒相對截割頭預訂設計姿態到達預訂設計位置。

截齒在空間的位置和姿態可分別由3個定位設計參數和3個定向設計參數共同確定，見表1。截割裝置上所有截齒空間位姿均可按照上述設計方法進行確定，這就為實現截割裝置參數化設計以及性能分析提供了設計理論依據。

2? 國外截割裝置設計專用軟件的研發成果

為降低同時參與破巖的截割頭上各截齒受力差異，避免出現某一局部區域中截齒受載過大進而造成該截齒過早失效，Sandvik公司在掘進機截割頭的設計過程中，采用了截割頭設計和仿真專用軟件對截齒排布及截割頭破巖過程的工作性能進行模擬[1]，如圖2所示，并根據截消耗量統計數據對截齒排布進行不斷改進，研制了適合不同巖石硬度條件下的多種截割頭。研究結果表明，通過降低截割頭旋轉速度獲得更高的截割扭矩，能顯著改善截割頭的破巖效果。隨著錐形截齒性能的不斷提升，在切削過程中截齒可以承受更高的載荷，進一步提高了截割頭在硬巖條件下的工作適應性。

由波蘭西里西亞工業大學礦業機械學院采礦機械化研究所開發的懸臂式掘進機截割頭輔助設計軟件KREON能實現縱軸式和橫軸式截割頭截齒排布參數的設計，并實現了Autodesk環境下的快速三維建模[2]，如圖3所示。軟件并能根據給定的條件模擬計算出對應的截割載荷，繪制切屑圖和巷道斷面輪廓圖等。截齒排布參數可導入KUKA機器人離線編程系統，對該截割頭的機器人制造過程進行進一步模擬分析。

澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）針對連續采煤機截割滾筒的特點，研制開發了“截割滾筒設計軟件”系統，如圖4所示。軟件分為功能選擇、約束檢查、參數設置和分析報告4個主要功能模塊，能實現對連續采煤機截割滾筒工作過程切屑形成過程的模擬，并能對作用在截割滾筒上同時參與工作的有效截齒總數、載荷和扭矩進行計算和預測。Somanchi等人與Kennametal公司合作開發的截割滾筒設計軟件[3]，對影響截割滾筒工作效果的6個主要參數進行了2組模擬研究，如圖5所示。結果顯示，除平衡角外，其余參數的變化均會引起截割載荷的顯著變化。

Tiryaki等人研制了采煤機截割滾筒工作過程模擬軟件系統[4]，分別對2種不同形式的采煤機滾筒的工作過程進行對比模擬計算，如圖6所示。通過對作用在滾筒上載荷的三向分力、截割扭矩以及參與截割有效齒數的變化研究了截齒排布參數對截割效果的影響。

3? 國內截割裝置設計專用軟件的研發成果

史秀寶基于MATLAB編制了截割頭的參數化設計軟件[5]，如圖7所示，可以對截割巖石或煤炭過程中作用在截割頭上的載荷進行模擬，能對鉆進和橫擺聯合工況的切屑圖進行模擬，并實現了在Pro/E環境中的截割頭自動建模。

魏蒼棟等人通過應用“截割頭截齒計算程序”對截割功率為260kW掘進機的截割頭進行截齒設計計算，并在SolidWorks環境中完成了截齒和齒座自動裝配建模[6]。李曉豁等人基于MATLAB開發了采煤機滾筒截割載荷模擬計算程序，實現了對前后滾筒的截割煤體的工作載荷進行模擬驗證和自相關分析，如圖9所示。

張夢奇等人提出截割頭齒座參數化定位技術[7]，開發了由設計模塊、制造模塊和檢測模塊組成的截割頭設計系統，建立了截割頭產品全生命周期管理方法。其中截割頭設計軟件能對排布螺旋線、截割頭不同移動速度與轉速匹配條件下的切屑圖、不同巖石硬度條件下的截割功率和截割載荷以及截齒自磨礪性能進行全面計算分析，并建立了截齒和齒座三維模型數據庫，實現了基于參數化技術的截割頭三維自動建模[8]和機器人自動制造過程可視化模擬，如圖10所示。

4? 截割裝置檢測技術

在采掘設備工作過程中，自動檢測并提示需要更換的截齒序號能有效提高截割破巖性能，并避免截齒失效導致的齒座或截割頭失效。為此Wirtgen公司開發并實現了對截齒磨損狀態的自動化實時監測系統WPI，可對露天采礦設備截割滾筒上的截齒磨損情況進行自動檢測，工作原理如圖11所示。檢測部分由8組固定在機身上的激光發射器和光學傳感器組成。

當截割滾筒空載轉動時，由發射器發出的光源照射在截齒和齒座表面[9]，通過三角測量原理檢測光源截割滾筒表面投影輪廓線的偏移。由于固定在機身上的光源和傳感器的位置相對角度差不變，因此可以通過計算獲得截割滾筒表面的三維輪廓高度坐標，并由此判斷存在磨損的截齒，如圖12所示。

基于煤礦井下采掘機械的工作形式和截割滾筒的旋轉形式，該技術特別適用于工作條件相似的連續采煤機及掘錨機組損壞截齒的自動檢測。在上述設備的減速器機殼與截割滾筒之間或在截割臂上方，根據截割滾筒的寬度，設置多組防爆激光發射器和光學傳感器。檢測過程如下：后撤采掘機械至安全位置，將截割大臂升至水平位置，啟動截割滾筒和外噴霧系統清理附著煤泥。開啟自動檢測功能，在設定的時間內，計算通過確定位置上截齒的幾何輪廓形狀平均偏差，并與完好截齒的輪廓進行自動對比計算后，從而確定截割滾筒上截齒的損壞程度。

5? 結語

①通過介紹截齒在采掘機械截割滾筒上的排布特點，分析了通過編制計算程序實現截齒排布參數化設計的可實現性;②分析了國內外截割頭、連續采煤機和采煤機三種典型采掘機械目前所采用的截割裝置設計系統軟件及功能作用;③提出了適用采掘裝備的截齒磨損實時自動檢測方法，為未來智慧礦山建設中的無人化采掘技術提供技術依據。

參考文獻：

[1]PICHIER J， RESTNER U. New Technologies Extend the Range of Applications of Roadheaders [J]. Water and Energy Abstracts， 2005， 15（1）.

[2]CHELUSZKA P. Computer Aided Manufacturing of Working Units for High Performance Mining Machines [M]. Computer-aided Technologies-Applications in Engineering and Medicine. IntechOpen. 2016： 19-40.

[3]SOMANCHI S， KECOJEVIC V， BISE C. Analysis of force variance for a continuous miner drum using the Design of Experiments method [J]. International Journal of Surface Mining， Reclamation and Environment， 2006， 20（2）： 111-26.

[4]TIRYAKI B， AYHAN M， HEKIMOGLU O. A new computer program for cutting head design of roadheaders and drum shearers; proceedings of the 17th International Mining Congress and Exhibition of Turkey–IMCET， F， 2001 [C].

[5]李曉豁，史秀寶，焦麗，等.縱軸式掘進機截齒排列的參數化設計[J].黑龍江科技學院學報，2012，22（1）：28-32.

[6]魏蒼棟，高春芳.關于掘進機截割頭截齒分布的研究;proceedings of the第五屆全國煤炭工業生產一線青年技術創新交流表彰大會，F，2010[C].

[7]張夢奇，閆獻國.截割頭齒座參數化定位技術研究[J].煤炭科學技術，2019，47（06）：23-29.

[8]張夢奇.基于SolidWorks二次開發的截割頭自動裝配技術[J].煤礦機械，2013，34（3）：259-260.

[9]Wirtgen GmbH （DE）. Method for determining the wear state [P]. USA： US8386196B2. Feb.26，2013.