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工矿自动化 In d us t r y a n d Min eAut o ma t io n 第46卷第5期 2020年5月 Vo l .46No .5 Ma y 2020 文章编号1671 251X202005 0021 07 DOI10. 13272/j. issn . 1671-251x. 2019090068 纵轴式掘进机截割头载荷影响因素的仿真分析 冯君玲1,田慕琴1,贺颖1,王茜1 1.太原理工大学矿用智能电器技术国家地方联合工程实验室％山西 太原030024； 2.太原理工大学煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室％山西太原030024 摘要针对现有掘进机截割头载荷特性研究方法采用单一影响因素不能全面反映截割头载荷及其波动 变化规律的问题，通过分析截割头瞬时载荷，确定了纵轴式掘进机在水平截割工况下截割头载荷的主要影响 因素有截割岩石特性、截割头掏槽深度、截割头吃刀深度、截割头转速和截割臂摆速。针对某纵轴式掘进机 水平截割工况，采用Ma t l a b对影响截割头载荷的多种因素进行仿真分析，得到了各向载荷及其波动随各因 素的变化规律截割头载荷随着岩壁普氏系数的增大而增加，其中横向阻力增加尤为明显，横向阻力波动程 度高于其他方向载荷，且随着岩壁普氏系数的增大呈减小趋势；随着截割头掏槽深度的增加，截割头各向载 荷近似呈线性增加，其中升力增加幅度最大，各向载荷波动则随着截割头掏槽深度的增大而减小；随着吃刀 深度的增加，截割头载荷总体呈增大趋势，载荷波动程度则随之减小；在截割头转速一定的情况下，截割头载 荷均随着截割臂摆速的增加而增大，在同一摆速下，截割头载荷随着截割头转速的减小而增大，横向阻力波 动明显高于升力和推进阻力波动，横向阻力和推进阻力波动按截割头载荷规律变化，升力波动则与之相反 截割头载荷波动变化规律与截割头载荷变化规律不尽一致，有时甚至相互冲突。因此，掘进机作业过程中应 合理选择截割头掏槽深度、吃刀深度等操作参数和截割头转速、截割臂摆速等运动参数,使各参数相互匹配， 以减小掘进机振动，延长使用寿命 关键词纵轴式掘进机；水平截割；截割头载荷；载荷波动；变差系数；操作参数；运动参数 中图分类号TD632 文献标志码A S imul a t io n a n a l y sis o n in f l uen c in gf a c t o r s o f c utin ghea d l o a d o f l o n git ud in a l r o a d hea d er F ENGJun l in g1,2, TIAN Muqin1,2, HE Yin g1,2, WANG Xi1,2 1. Na t io n a l Pr o vin c ia l Jo in t En gin eer in g La bo r a t o r y o f Min in g In t el l igen t El ec t r ic a l Appa r a t us Tec hn o l o gy ,Ta iy ua n Un iver sit y o f Tec hn o l o gy ,Ta iy ua n 030024,Chin a ; 2.S ha n xiKey La bo r a t o r y o f Min in gEl ec t r ic a l Equipmen t a n d 修回日期修回日期2020-01-20;责任编辑张强责任编辑张强。 基金项目基金项目国家自然科学基金项目U1510112;202 0年度山西省重点自然基金项目201901D111008ZD。 作者简介作者简介冯君玲1986 ,女，河南焦作人，博士研究生，主要研究方向为大型矿山机械故障诊断与自动控制,E-ma ilc ht a 200126. c o m。 引用格式引用格式冯君玲，田慕琴，贺颖，等纵轴式掘进机截割头载荷影响因素的仿真分析工矿自动化，2020,4652127. F ENG Jun l in g,TIAN Muqin , HE Yin g, et a l . S imul a t io n a n a l y sis o n in f l uen c in g f a c t o r s o f c ut t in g hea d l o a d o f l o n git ud in a l r o a d hea d er [J-. In d ust r y a n d Min e Aut o ma t io n ,2020,465 21-27. ・22・工矿自动化 46 a t er a l r es is t a n c eis pa r t ic ul a r l y o b vio us .Thed egr eeo f l a t er a l r es is t a n c ef l uc t ua t io n is higher t ha n t he o t her s, a n d it d ec r ea ses w it h t he in c r ea se o f t he Pr o t o d y a k o n o v c o ef f ic ien t o f t he r o c k f a c es. As t he sl otin gd ept hin c r ea s es ,t hel o a d in ea c hd ir ec t io n o f t hec utin ghea d in c r ea sesa ppr o xima t el y l in ea r l y a n d t he l if t in g l o a d in c r ea ses mo st , a n d t he l o a d f l uc t ua t io n s in al d ir ec t io n s d ec r ea se w it h t he sl otin g d ept h n c r ea ses.Wit ht hein c r ea seo f t hec utin gd ept h,t hec utin ghea d l o a d gen er aly in c r ea ses,a n d t hed egr ee o f l o a d f l uc t ua t io n d ec r ea ses.Un d er t hec o n d it io n t ha t t her o t a t in gspeed o f t hec utin ghea d isc o n st a n t , t hec utin ghea d l o a d in c r ea ses w it h t he in c r ea se o f t he c utin g bo o m s w in gs peed .At t hes a mes w in g s peed ,t hec utin ghea d l o a d in c r ea s es w it ht her o t a t in gs peed o f t hec utin ghea d d ec r ea sin g.Thel a t er a l r esist a n c ef l uc t ua t io n issign if ic a n t l y higher t ha n t he l if t in g a n d pr o pul sio n r esist a n c ef l uc t ua t io n s,t he a t er a l r esist a n c ea n d pr o pul sio n r esist a n c ef l uc t ua t io n sc ha n gea c c o r d in gt o t hec utin ghea d l o a d l a w ,a n d t hel if t in gf l uc t ua t io n iso ppo sit e.Theva r ia t io n l a w o f t hel o a d f l uc t ua t io n is n o t c o n s is t en t w it ht ha t o f t hec utin ghea d l o a d ,a n d so met imeseven c o n f l ic t sw it hea c ho t her .Ther ef o r e,t heo per a t in gpa r a met er s sl otin gd ept h,c utin gd ept ha n d mo t io n pa r a met er s c utin g hea d r o t a t in g speed a n d c utin g a r m sw in g s peed o f t hec utin ghea d s ho ul d bes el ec t ed r ea s o n a bl y d ur in go per a t io n o f t her o a d hea d er ,s o t ha t t he pa r a met er sc a n be ma t c hed w it h ea c h o t her t o r ed uc et her o a d hea d er vibr a t io n a n d ext en d l if e o f t he r o a d hea d er . Keywordsl o n git ud in a l r o a d hea d er ;ho r izo n t a l c utin g;c utin ghea d l o a d ;l o a d f l uc t ua t io n ;va r ia t io n c o efic ien t ;o per a t in gpa r a met er s;mo t io n pa r a met er s 0引言引言 纵轴式掘进机是矿井巷道开拓过程中的重要设 备，其可靠性和工作效率是煤矿安全高效生产的必 要保证[1]。掘进机工作时，作用于截割头的载荷会 受到截割煤岩物理机械特性、掘进机结构参数、操作 参数及运动参数等因素影响’若掘进机结构参数与 所截割煤岩特性不匹配，或者操作参数和运动参数 选择不合理，将引起截割头载荷的剧烈波动，导致掘 进机截齿、截割电动机、油缸等部件发生故障或损 坏，从而降低掘进机的截割性能，影响煤矿的生产 效率2 国内外学者对掘进机截割头载荷特性及其变化 规律进行了大量研究。张梦奇3基于单截齿破岩试 验的相关理论，对纵轴式掘进机截割头横摆工况载 荷进行了模拟研究，分析了截割头从开始接触煤岩 至稳定工作状态中的载荷特性，通过频域分析发现 截割头载荷受转频、截齿配置形式及螺旋线数量的 影响显著’王想4对纵轴式掘进机截割头同时截割 2种不同普氏系数煤岩的过程进行了数学描述，采 用仿真方法对其载荷进行研究，分析了分层面夹角 对载荷及其波动的影响规律。李媛媛等旧采用有限 真方法 截割 头 截割 程进 动 真分 ， 得到了截割头三向力随煤岩普氏系数的变化规律。 蔡文安等6利用自行设计的截割试验台，根据不同 截割转速和进给速度相配合，对煤粉水泥配比为 3.6 1的煤岩进行截割试验，通过分析得到了最佳 运动参数组合，为掘进机实际截割操作和掘进机自 动化提供了参考依据。 以上研究采用试验方法或仿真手段对截割头载 荷进行模拟，但只是分析单一因素对载荷及其波动 的影响规律，且主要针对的是截割头设计、掘进机选 型及系统改进等问题。然而掘进机实际截割过程中 受到其内部及外部多种因素的综合影响，这些因素 之间相互关联，仅研究单一因素的影响规律并不能 全面反映截割头载荷及其波动的变化，鉴此，本文采 用Ma t l a b编程语言，针对纵轴式掘进机的水平截割 工况， 影响 截割头 载荷 多 素 进 为 面的仿真分析，得到了各向载荷及其波动随各因素 的变化规律。仿真结果可为掘进机掘进过程中操作 参数和运动参数的合理选择提供理论依据，以增强 掘进机工作平稳性，提高掘进生产效率，延长掘进机 使用寿命。 1截割头水平截割的载荷模拟及载荷波动模型截割头水平截割的载荷模拟及载荷波动模型 1. 1 截割头水平截割的载荷模拟 单个截齿截割岩石时，其所受截割阻力-,、牵 引阻力X、侧向阻力为 Z Fk[0t0g0y0. 25 0. 0182, 0. 1S- 1 -,[0. 15 0. 000 56Fk2. 520“- 2 X, -,[G/G 2G2,1- 3 式中为截割岩石的截割阻抗，MPa ,Pk 44X 为截割岩石普氏系数；0,怂，心分别为截齿 2020 5 冯君玲等纵轴式掘进机截割头载荷影响因素的仿真分析・23・ 的类型系数、几何形状影响系数和截齿截角影响系 数仏为第Z个截齿所在截线与第z1条截齿截线 间的距离，mm；2为第个截齿的瞬时切屑厚度， mm2 1 000（0. 95sin “ 0. 05）,6 为截割臂摆 nm 速，m/min，n为截割头转速， min，m为每条截线 上的截齿数，“为第个截齿在截割头上的位置角 （第个截齿的初始位置角“0与截割头旋转角度。 之和），（）;S为截齿后刃面磨钝后在牵引方向的投 影面积,mm2；G, C2, C3为切屑图影响系数。 将各个截齿三向力分别沿截割头坐标9， , c分 解为Ra, 仕为第个截齿的安装轴线相对于齿尖回转平 面的倾斜角；厂为第个截齿的齿尖回转半径。 依据式（1）式（7），在Ma t l a b中编制截割头载 荷模拟程序⑻,输入某纵轴式掘进机截割头（截割头 截齿排列为交叉式）的结构参数（表1）,得到/为7 时截割头完全钻入岩壁后旋转三周的截割载荷模拟 曲线，如图1所示。表1中，1为平均截线距0为 截割头轴向长度为截割头大端直径。 表1 截割头 Ta bl e1 S t r uc t ur epa r a met er va l ueso f c utin ghea d 参数参数值参数参数值 kt1.5（镐型截齿）S/mm22 0g 1. 2210 / mm 925 ky 0. 65D/mm 1120 mm30G 10 m1C2 02 随截割头旋转而变化 C301 由图1可知，水平截割工况下，截割头三向载荷 大小关系为RaRbRc ；随着各时刻参与截割的截 齿数发生变化,截割头三向载荷也发生变化,并呈现 周期性波动,且横向阻力和升力波动较大,推进阻力 基本维持稳定 软羽丽繼彖耙弓 、眾牌鑼昌“NV腥鄒 升力 参与截割齿数 推进阻力 140 120 100 80 60 40 20 0 200 400 600 800 1 000 1 200 截割头转角/ 图1截割头载荷模拟曲线 F ig 1 S imul a t io n c ur veso f c utin ghea d l o a d 掘进机水平截割工况下截割头载荷及工作参数 如图2所示，由式⑴一式（7）可知，截割头工作载荷 主要受截割岩石特性参数、截割头设计参数、某一瞬 时参与截割的截齿数及截割头转速和截割臂摆速等 因素的影响。其中每一瞬时参与截割的截齿数由截 割头设计参数、截割头钻入工作面深度（掏槽深度 L）、截割头吃刀深度〃共同确定，对于特定工作面 选定的掘进机，其截割头结构参数在设计过程已经 确定，在工作过程中无法调节「9-,因此，截割岩石特 性参数、截割头掏槽深度、截割头吃刀深度、截割头 转速和截割臂摆速成为影响截割头瞬时载荷的主要 因素。 （a）截割头载荷 （b）截割头工作参数 图2水平截割时截割头载荷及工作参数 F ig.2 Cutin ghea d l o a d a n d o per a t in g pa r a met er s d ur in gho r izo n t a l c utin g 1.2 截割头载荷波动模型 掘进机截割岩壁时，每一瞬时参与截割的截齿 数目和受力状态都会发生变化，截割头每转一周，其 所受的载荷会产生波动；截割工作面地质条件复杂 多变且具有一定的随机性，加上掘进机自身的结构 特点，人工操控掘进机不准确，导致掘进机操作参数 和运动参数产生较大随机性，使截割头受力随截割 臂的运动时刻变化「10-,产生波动。截割头载荷波动 会引起机身振动、掘进机关键部件发生故障甚至损 坏;使掘进机在截割过程中产生机身偏向角，机身偏 向角的产生和变化会严重影响掘进机的定向掘进， ・24・ 工矿自动化 46 使截割断面出现偏差，降低巷道成形准确度与精 度「⑴13-。因此，有必要对截割头载荷波动规律进行 研究。 截割头载荷波动可以用载荷变差系数来表ZK , 它是载荷的均方差与载荷均值E推进阻力均值先有小幅增 加，后趋于平稳；横向阻力均值先增加，在在同一摆速下，三 向载荷均值随着7的减小而增大。这是由于u增加 或者7减小使得单个截齿瞬时切屑厚度增加所致。 三向载荷中，横向阻力波动明显高于升力和推进阻 力波动，横向阻力变差系数和推进阻力变差系数按 截割头载荷规律变化，升力变差系数与之相反。因 此，应合理选择7和U ,在5较小时，截割阻力小，可 适当增加7和U,以提高掘进效率；在5较大时，应 相应降低7和U,以减小截割阻力和截齿磨损。虽 然提高7能够减小切屑厚度，降低载荷，但同时也会 降低截齿的截割能力，所以，不宜采用。实际应用中 可以采用多目标优化方法，找到相应5下对应的7 a 载荷变差系数 b 载荷均值 图8 截割头 进 载荷变 截割头 转速7、截割臂摆速u变化曲线 F ig.8 Va r ia t io n c ur veso f va r ia t io n c o efic ien t o f c utin g hea d pr o pul sio n r esist a n c ea n d it smea n va l uew it h7a n du 和u组合，在保证掘进机正常工作前提下，尽量减小 截割头载荷，降低其波动程度。 。 3结论结论 1 对于特定工作面选定的掘进机，影响截割 头载荷及其波动的主要因素有截割岩石特性、截割 头掏槽深度、截割头吃刀深度、截割头转速和截割臂 摆速。 。 2 仿真结果表明截割头载荷随着煤岩普氏 增大、 、 槽深度 增 、 、 深度 增 、 、 截 割臂摆速的增加及截割头转速的减小而增大，且各 向载荷随各参数的变化程度不同。 。 3 截割头载荷波动变化规律与截割头载荷变 化规律不尽一致，有时甚至是相互冲突的。因此，在 实际应用中，可以建立多目标优化模型，采用相应的 优化算法，在保证掘进机正常截割前提下，选择合适 的操作参数和运动参数，尽量降低作用于截割头的 载荷及其波动程度，从而保证掘进机安全、高效、平 稳地工作。 。 参考文献References 1 -王虹.我国煤矿巷道掘进技术和装备的现状与发展 [J-.煤炭科学技术，2010,3815762. 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Lo a d simul a t io n o f l o n git ud in a l r o a d hea d er c utin g hea d un d er sw in g c utin g in st r a t if f c a t io n pl a n e o f r o c k s w it h d if f er en t ha r d n ess [J Co a l En gin eer in g,2015,473106-108. 5]李媛媛，王海艳，朱青青，等煤岩特性对掘进机截割 头载荷的影响分析工矿自动化，2016,4210 26-297 LI Yua n y ua n , WANG Ha iy a n , ZHU Qin gqin g, et a l In f l uen c e a n a l y sis o f c o a l a n d r o c k pr o per t ies o n r o a d hea d er c ut t in g hea d l o a d,]. In d ust r y a n d Min e Aut o ma t io n 2016 421026-29. 6 -蔡文安，杨兆健,王义亮截割头运动参数对掘进机截 割性能影响的试验研究矿业研究与开发，2017, 378113-1177 CAI Wen a n, YANG Zha o jia n, WANG Yil ia n g. Exper imen t a l st ud y o n t he impa c t s o f mo t io n pa r a met er s o f c utin ghea d o n c utin gper f o r ma n c eo f r o a d hea d er ]J]. Min in g Resea r c h a n d Devel o pmen t , 2017 378113-1177 7 ] 李 7 进 机 截 割 硬 岩 载 荷 研 究 中国工程机械学报，2008,64415-417. 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