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全日制硕士学位论文全日制硕士学位论文 掘进机截齿激光熔覆再制造性能研究 Study on the remanufacturing perance of roadheader gear cutting laser cladding 作者姓名朱利 导师姓名安亚君副教授 学科专业机械工程 研究方向 机械制造及其自动化 完成日期2020 年 8 月 11 日 辽宁工程技术大学 Liaoning Technical University 万方数据 掘 进 机 截 齿 激 光 熔 覆 再 制 造 性 能 研 究 朱 利 辽 宁 工 程 技 术 大 学 万方数据 关于学位论文使用授权的说明关于学位论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 有关保 留、使用学位论文的规定，同意 辽宁工程技术大学辽宁工程技术大学 保留并向国家有关 部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议。 学位论文作者签名____________导师签名_____________ 2020 年 8 月 16 日2020 年 8 月 16 日 万方数据 中图分类号TH114学校代码10147 UDC621密级公 开 辽宁工程技术大学 全日制硕士学位论文全日制硕士学位论文 掘进机截齿激光熔覆再制造性能研究 Study on the remanufacturing perance of roadheader gear cutting laser cladding 作者姓名朱利学号471720063 导师姓名 安亚君（副教授）副导师姓名 申请学位工学硕士培养单位机械工程学院 学科专业机械工程研究方向 机械制造及其自动化 二○二○年八月 万方数据 致致 谢谢 本论文是在尊敬的安亚君老师的悉心指导下完成的。老师对论文的工作自始至终给 予了精心深入地指导，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深 深地感染和激励着我，是我学习的楷模，并将使我受益终身。在此向老师表示最诚挚的 谢意 在本论文的写作过程中，安亚君老师倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写 作提纲，到一遍又一遍地指出论文中所存在的错误和不足，严格把关，循循善诱，在此 谨向老师表示最衷心的感谢 在本课题的研究过程中，也得到了实验室各位老师的大力支持和帮助，在此向他们 表示诚挚的谢意刘旭男老师对我的论文的进行给予了充分的指导，提出了很多宝贵意 见。另外实验室的杨建林教授、迟长志高工、刘广柱老师、王学雷老师、庄伟斌老师等 对我实验及样品测试都给予了很多支持和帮助。最后还是要感谢我在研究生期间默默陪 伴我左右的她张伟，感谢其在我学习和生活中的理解和支持，在我低谷时候的陪伴， 有着温暖的感动和平淡生活中的幸福。最重要的是感谢父母茹苦含辛的养育之恩以及对 我漫漫求学路的支持，父母无私纯洁的爱给与我无微不至的关怀。 衷心感谢在百忙之中对我的论文进行评阅、评议的各位专家学者。最后对参加本文 评审和答辩工作的各位老师致以最诚挚的感谢 万方数据 I 摘摘要要 截齿是掘进机截割煤岩过程中耗材最大的矿用机械部件之一，直接与煤岩接触作用， 为了提高截齿的使用效率及截齿的复用。 本文对掘进机截齿展开了力学与磨损特性研究， 根据截齿截割煤岩原理及截齿磨损机理，对截齿主要失效形式磨损和腐蚀进行了理论分 析。基于截齿破岩理论建立截齿力学模型，确定了 WORKBENCH 坐标系下的三向力。 通过 PRO/E 建立了掘进机截割头三维模型，并在 WORKBENCH 进行了静力学分析，结 果表明应力较大部分主要位于截齿合金头尖端、齿体前部以及齿座根部；分别提取截割 头圆球段、圆锥段和圆柱段截齿的应力信息，最大应力均分布在截齿的合金头尖部，应 力值分别为 1056.8MPa、1021.56MPa 以及 991.2MPa，相比于截齿其他部位所受应力和变 形更大。确定截齿失效形式及易失效位置，为截齿再制造修复强化提供了理论基础。 通过激光熔覆技术完成截齿再制造修复强化， 对激光熔覆涂层合金组织及性能进行研 究。首先使用功率为 2700W 的激光加工机，在 5mm/s 的扫描速度下进行激光熔覆。其次 利用光学金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射仪（XRD）、能谱 仪、显微硬度计对熔覆涂层进行形貌、物相成分、微观组织结构及力学性能分析。最后 利用腐蚀磨损和磨粒磨损实验机对熔覆层的腐蚀性和耐磨性能进行研究，并且利用扫描 电镜对熔覆层磨损形貌进行观察，研究其组织形貌及磨损性能机理。 通过搭建截齿截割实验台对激光熔覆再制造技术前后的截齿进行性能的对比检测。 一方面通过三相交流电流变送器电流信号的检测及转矩传感器上的转速、力矩及功率参 数对截齿性能进行对比分析。另一方面通过测量同一工况下两种截齿在截割时间分别为 24h、48h 及 72h 下的截齿质量，对比两种截齿磨损率，分析激光熔覆再制造前后截齿的 耐磨性能。 本文以截齿截割煤岩层机理为理论依据， 结合截齿磨损特性， 利用激光熔覆技术对截 齿进行再制造修复。对降低截齿磨损量，提高截齿使用寿命，截齿再制造提供一定的理 论指导。 该论文有图 53 幅，表 12 个，参考文献 73 篇。 关键词关键词掘进机；截齿；再制造；激光熔覆；磨损机理 万方数据 II Abstract Pick is one of the largest mining machinery parts in the process of cutting coal and rock by roadheader. It directly contacts with coal and rock. In order to improve its perance and reuse of pick, improve its efficiency. In this paper, the mechanical and wear characteristics of roadheader pick are studied. According to the principle of cutting coal and rock and the cutting process, the main failure s of cutting pick wear and corrosion are analyzed theoretically. Through the establishment of cutting head model of road header, through ANSYS Workbench simulation shows that the main cutting contact area is the alloy tip and the front part of the cutting head of road-header, which is easier to wear than other parts of the pick. The failure mode and easy failure position of the pick are determined. In this paper, laser cladding technology is used to complete the remanufacturing repair and strengthening of pick. Firstly, a 2700W laser processing machine was used to carry out laser cladding at the scanning speed of 5mm/s. The micro-structure and macro composition of the cladding layer are analyzed by optical metallographic microscope, scanning electron microscope, energy dispersive spectrometer, X-ray diffractometer and microhardness tester. The wear resistance of the cladding layer was studied by impact abrasive wear tester, and the wear morphology was observed by scanning electron microscope SEM. The perance of laser cladding cutting table before and after the test is compared. On the one hand, through the detection of the current signal of the three-phase AC current transmitter and the speed, torque and power parameter data of the torque sensor, the perance of the pick is compared and analyzed. On the other hand, under the same working condition, the cutting quality of the two kinds of pick is measured under the cutting time of 24h, 48h and 72h. By comparing the wear rate of the two kinds of pick, the wear resistance of the pick before and after laser cladding remanufacturing is determined. In this paper, based on the theory of cutting coal and rock strata, combined with the characteristics of pick wear, the laser cladding technology is used to repair the pick, which can reduce the wear of the pick, improve the service life of the pick, and provide some guidance for the remanufacturing of the pick. There are 53 pictures, 12 tables and 73 references. Keywords roadheader; pick; remanufacturing; laser cladding; wear mechanism 万方数据 III 目目录录 摘要摘要ⅠⅠ 目录目录ⅢⅢ 图清单图清单ⅤⅤ 表清单表清单ⅤⅤ 变量注释表变量注释表ⅥⅥ 1 1 绪论绪论1 1 1.1 研究背景及意义1 1.2 国内外研究现状2 1.3 研究内容6 2 2 掘进机截齿失效机理分析掘进机截齿失效机理分析7 7 2.1 截齿截煤岩原理7 2.2 截齿磨损机理10 2.3 截割头有限元分析15 2.4 本章小结24 3 3 截齿激光再制造修复强化技术截齿激光再制造修复强化技术2525 3.1 再制造技术25 3.2 激光再制造技术26 3.3 截齿激光熔覆实验材料与方法31 3.4 本章小结38 4 4 截 齿 激光 熔 覆 试验 分 析截 齿 激光 熔 覆 试验 分 析 3939 4.1 截齿熔覆层的 XRD 分析39 4.2 截齿熔覆层的组织性能分析40 4.3 截齿熔覆层的磨损性能分析44 4.4 本章小结49 5 5 掘进机截齿截割实验分析掘进机截齿截割实验分析5050 5.1 掘进机截齿截割实验台设计50 5.2 实验结果及分析52 万方数据 IV 5.3 本章小结55 6 6 结论与展望结论与展望5656 6.1 结论56 6.2 展望56 参考文献参考文献5757 作者简历作者简历6161 论文原创性声明论文原创性声明6262 学位论文数据集学位论文数据集6363 万方数据 V Contents AbstractⅠⅠ ContentsⅢⅢ List of FiguresⅤⅤ List of TablesⅤⅤ List of VariablesⅥⅥ 1 Introduction1 1.1 Research background and sources1 1.2 Research Status at Home and Abroad2 1.3 Research content6 2 Friction Thermodynamic Analysis of Roller-Conveyor Belt under Fault Condition7 2.1 Failure analysis of conveyor rollers7 2.2 Basics of Friction Thermodynamics10 2.3 Theoretical Analysis of Friction Thermodynamic of Roller-Conveyor Belt15 2.4 Chapter Summary24 3 Analysis of Cutting Failure Mechanism of Roadheader25 3.1 Principle of intercepting coal and rockr25 3.2 Wear mechanism of cutting teeth26 3.3 Finite Element Analysis of Cutting Head31 3.4 Chapter Summary38 4 Test Analysis of Laser Cladding in Cutting Gear39 4.1 XRD analysis of the truncated cladding39 4.2 Analysis of the Structure and Properties of the Clip Covered Layer40 4.3 Analysis on the Wear Perance of the Cladding Layer44 4.4 Chapter Summary49 5 Experimental analysis of cutting teeth of roadheader50 5.1 Design of cutting test bench for cutting teeth of roadheader50 5.2 Experimental results and analysis52 万方数据 VI 5.3 Chapter Summary55 6 Test and Analysis of Inspection Robot System56 6.1 Conclusions56 6.2 Innovative Points56 References57 Author’s Resume61 Declaration of Thesis Originality62 Thesis Data Collection63 万方数据 VII 图清单图清单 图序号图名称页码 图 1.1Nishimatsu 的切割理论2 Figure 1.1Nishimatsus cutting theory2 图 1.2北方重工 EBZ230 掘进机3 Figure1.2North heavy industry ebz230 roadheader3 图 1.3截齿运动示意图4 Figure 1.3North heavy industry ebz230 roadheader4 图 1.4掘进机截割头包络曲线和截齿排列示意图4 Figure 1.4 Envelope curve of cutting head and arrangement diagram of pick of roadheader 4 图 2.1截齿截割煤岩示意图8 Figure2.1Schematic diagram of coal rock cutting with pick8 图 2.2莫尔库伦理论截齿截煤示意图8 Figure2.2Schematic diagram of Mohr Coulomb theoretical pick for coal cutting8 图 2.3Goktan 和 Gunes 理论截齿受力图9 Figure 2.3Force diagram of goktan and Gunes theoretical pick9 图 2.4刀形截齿和镐型截齿10 Figure 2.4Cutter pick and pick pick pick10 图 2.5磨粒磨损示意图11 Figure 2.5Schematic diagram of abrasive wear11 图 2.6粘着磨损示意图13 Figure 2.6Schematic diagram of adhesive wear13 图 2.7截齿磨损示意图14 Figure 2.7Schematic diagram of pick wear14 图 2.8截齿截割煤岩受力示意图16 Figure2.8Schematic diagram of coal rock cutting with pick16 图 2.9截齿受力简图17 Figure2.9Force diagram of pick17 图 2.10截齿三向力曲线19 Figure2.10Three direction force curve of pick19 图 2.11三维实体模型19 Figure2.11Three dimensional solid model19 图 2.12截割头 PRO/E 模型20 Figure2.12PRO/E model of cutting head20 图 2.13静态结构分析20 Figure2.13Static structural analysis20 图 2.14截割头 WORKBENCH 模型21 Figure2.14WORKBENCH model of Cutting head21 万方数据 VIII 图 2.15合金头与齿体之间的连接21 Figure2.15The connection between alloy head and pick body21 图 2.16截割头截割过程中煤岩颗粒速度变化情况22 Figure2.16Heat-flux distribution of roller22 图 2.15截齿加载22 Figure2.15Picks loading22 图 2.16截割头组件划分网格21 Figure2.16Meshing of cutting head assembly21 图 2.17截齿加载22 Figure2.17Picks loading22 图 2.18截割头等效应力22 Figure2.18Equivalent stress of cutting head22 图 2.19截割头截齿仿真图23 Figure2.19Stress ination of picks on cutting head23 图 3.1激光熔覆头示意图26 Figure 3.1Schematic diagram of laser cladding head26 图 3.2激光熔覆图27 Figure 3.2Laser cladding27 图 3.3激光熔覆过程示意图27 Figure 3.3Schematic diagram of laser cladding process27 图 3.4熔覆层及零部件示意图28 Figure 3.4Schematic diagram of cladding layer and parts28 图 3.5激光熔覆后基体截面示意图29 Figure 3.5Schematic diagram of matrix section after laser cladding29 图 3.6液压万能试验机34 Figure 3.6Hydraulic universal testing machine34 图 3.7压坯制备34 Figure 3.7Blank preparation34 图 3.8激光加工机34 Figure 3.8Laser machine34 图 3.9金相显微镜35 Figure 3.9Metallographic microscope35 图 3.10扫描电子显微镜36 Figure 3.10Scanning electron microscope36 图 3.11激光熔覆技术进行试验工艺图37 Figure3.11Test process of Laser Cladding Technology37 图 4.1两种含量铬铁矿粉熔覆层 A 层 XRD 图39 Figure 4.1XRD of layer a of two kinds of chromite powder cladding layer39 图 4.210含量铬铁矿粉熔覆层 XRD 图40 Figure 4.2XRD of 10 chromite powder cladding layer40 图 4.3两种含量铬铁矿粉熔覆层表面形貌40 万方数据 IX Figure4.3Surface morphology of two kinds of chromite powder cladding layer40 图 4.410含量铬铁矿粉熔覆涂层显微组织形貌41 Figure4.4Microstructure of 10 chromite powder cladding coating41 图 4.5两种含量铬铁矿粉熔覆涂层表面形貌42 Figure4.5Surface morphology of two kinds of chromite powder cladding coating42 图 4.610铬铁矿粉能谱线扫描分析图42 Figure4.6Energy spectrum scanning analysis of 10 ferrochrome powder42 图 4.7含量 10铬铁矿粉激光熔覆层微观形貌43 Figure4.7 Micro morphology of laser cladding layer with 10 chromite powder content 43 图 4.8两种含量铬铁矿粉熔覆层截面显微硬度45 Figure 4.8Microhardness of two kinds of chromite powder cladding layers45 图 4.9两种含量铬铁矿粉熔覆层不同层及基体显微硬度46 Figure 4.9 Microhardness of different layers and matrix of two kinds of chromite powder cladding layers 46 图 4.10石油介质腐蚀熔覆层单位面积的失重量曲线47 Figure 4.10 Dynamic erosive wear weight loss curves of the cladding layer per unit area 47 图 4.11不同铬铁矿粉含量磨损形貌48 Figure 4.11Wear morphology of different chromite content48 图 5.1掘进机截齿截割试验台50 Figure5.1Cutting test bench of roadheader pick50 图 5.2激光熔覆再制造前后的截齿51 Figure5.2Pick before and after laser cladding Remanufacturing51 图 5.3截齿截割过程52 Figure5.3Pick cutting process52 图 5.4实验采集信号系统52 Figure5.4Experimental acquisition signal system52 图 5.5再制造前截齿截割电机电流曲线53 Figure5.5Current curve of pick cutting motor beforere manufacturing53 图 5.6再制造后截齿截割电机各相曲线53 Figure5.6Curve of each phase of pick cutting motor after remanufacturing53 图 5.7再制造前截齿传感器数据54 Figure5.7Pick sensor data before remanufacturing54 图 5.8再制造后截齿传感器数据54 Figure5.8Pick sensor data after Remanufacturing54 万方数据 X 表清单表清单 表序号表名称页码 表 2.1煤岩截割阻抗8 Table2.1Cutting impedance of coal and rock8 表 2.2截割头材料参数20 Table2.2The material parameters of cutting head20 表 3.1截齿合金头材料32 Table3.1Pick alloy head material32 表 3.242CrMo 钢的化学组成（质量分数 ）33 Table 3.2The chemical composition of steel quality fraction 33 表 3.3碳化钨合金粉化学成分33 Table 3.3Chemical composition of Fe30Airon based self melting alloy powder33 表 3.4铬铁矿粉氧化物含量33 Table 3.4Chromite powder oxide content32 表 4.1能谱分析结果质量分数/44 Table 4.1EDS results of the laser cladding layers wt44 表 4.2熔覆层及基体的冲蚀磨损失重量平均失重46 Table 4.2Average weight loss of erosion and wear of cladding layer and substrate46 表 4.3熔覆层及基体的冲蚀磨损失重量46 Table 4.3erosion and wear loss weight of cladding and substrate46 表 4.4两种铬铁矿粉含量磨损率48 Table 4.4wear rate of different chromite powder content48 表 5.1岩试件测定值52 Table 5.1determination of rock specimen52 表 5.2再制造熔覆前后截齿的磨损率54 Table 5.2 Safe concentration threshold for gases and dust in coal mineswear rate of pick before and after remanufacturing cladding 54 万方数据 XI 变量注释表变量注释表  岩石的内摩擦角，  截齿的前角， h截割煤岩厚度，mm   岩石的剪切强度，MPa s  单位长度所受合力的切向力分量，MPa n  单位长度所受应力的法向力分量，MPa k P 煤岩体接触强度，MPa S压头下表面积，mm2 L压头下压次数 Z截割阻力，N k磨损系数 p接触压力，Kpa 1 V 两物体粘着磨损体积，mm3 1 S 两物体相对滑动距离，mm W法向载荷，N w H 较软材料的硬度 w K 无量纲的磨损系数 j Z 切割阻力，N j Y 牵引阻力，N j X 侧向阻力，N K P 岩石的接触强度，MPa max h 截齿刀头的最大切削厚度，cm cp t 截齿刀头的切削宽度，cm T k 选取截齿的类型系数 ψ k 硬质合金头形状系数 ψ k 截齿刀头部形状系数 d k 硬质合金刀头直径系数 y k 截齿截角的影响系数 j S 截齿磨损面在截割平面上的有效面积，mm2 max h 切削厚度，cm 截割头转速，r/min 截齿位置结构参数， j 任意一条截线上的第j把截齿 n任意一条截线上总截齿数 N总截线条数 叶片与煤岩的摩擦角， i d 第i条截线距离质心的距离，mm i D 第i条截线除的截割头直径，m g M 总阻力矩，Nm 万方数据 XII D 截割头直径，m M截齿总个数 s R 装煤岩反力，N y D 叶片直径，m  螺旋升角， P截割头消耗功率，kW 1 n 截割头转速，r/min w H 截割比能耗，kWh/m3 g H 滚筒采高，m g B 滚筒截割深度，m q v 截割机构线速度，m/min c熔覆材料的比热容，J/kgC fH熔覆材料的融化潜热 Tm熔覆材料的熔点，C 1 m 熔覆涂层质量，m 1 S 熔覆涂层面积，mm2 1 t 激光束接触时间，t  熔覆涂层密度，kg/m 2  熔覆材料吸收率 f V 激光器沿单道运行速度，m/s 0 E 激光器发射激光高能束能量，J 反射 E 被粉末反射的部分激光能量，J 吸收 E 被粉末反射的部分激光能量，J 内部 E 零部件表面及内部吸收的能量，J 1  磨损率，mg/cm2 q m