截割煤层载荷分析(钝)..docx

掘进机截割煤层载荷分析摘要：掘进机是巷道掘进的主要设备，截割头载荷的变化与波动对掘进机的性能有重大影响。本文根据截齿载荷经验公式建立对磨钝截齿、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，模拟得到了在截割硬岩时的截齿载荷和截割头载荷的变化规律。利用Matlab对单个磨钝截齿的截割阻力、牵引力、侧向力和截割头的整体升力、横切阻力、推进阻力及总阻力矩在各个位置变化规律进行了模拟，为将来的多目标优化作好了理论准备。 关键字：掘进机；截割头；Matlab；载荷分析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。在截割煤层过程中，磨钝截齿要受到挤压力、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。作用在磨钝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，世界各国对磨钝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，先后提出了磨钝截齿受力的计算方法。下面给出的是最常用的磨钝截齿载荷计算方法。下面以目前最常用的计算磨钝截齿载荷的方法，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磨钝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：磨钝截齿的载荷主要集中在齿尖处；忽略磨钝截齿的体积和质量。2.1 单个截齿受力计算首先对单个磨钝截齿的受力进行分析，磨钝截齿在截割煤层的过程中，作用在磨钝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： 其中，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）；A——工作面煤层存在矿压时的截割阻抗平均值[3](N/mm)；bp——磨钝截齿工作面宽度[3](mm),镐型齿去其直径的一半；kψ——考虑煤的脆塑性系数[3]，脆性取1，粘性取0.85；kz——外露自由表面的影响系数[3]；kφ——磨钝截齿前刃面形状影响系数[3]；ky——考虑磨钝截齿截角δ对截割比能耗的影响系数[3]；kc——切削图影响系数[3]；kOT——矿压影响系数[3]；kn——截割阻力与牵引阻力比值系数[3]；θ——磨钝截齿相对于牵引方向的安装角[3]；μD——截齿截割运动的阻力系数[3]，取0.4；σy——煤的单轴抗压强度[3](MPa)；Sj——齿的后刃面磨钝后在牵引方向的投影面积(mm2)；Kσ——煤体受压状态系数[3]；C1,C2,C3——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。任意时刻(j)截割头上第i个磨钝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，大致可以分为三部分：球面段，圆锥段和圆柱段。可见不同位置磨钝截齿的旋转半径不同。图1 截割头受力简图图2 截割头包络面简图将参与截割的第i个磨钝截齿的三个阻力分解到a、b、c三个方向，可得，式中 φi——第i个磨钝截齿的工作位置角；θi——第i个磨钝截齿的安装角； Zi——第i个磨钝截齿所受的截割阻力； ri——第i个磨钝截齿齿尖距截割头轴线的距离。将此时刻所有参与截割的磨钝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磨钝截齿数。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°为例说明各个磨钝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