截割头截齿安装定位的设计方法[1].pdf

度综合自动化系统做了准备。 参考文献 [1] 牟秋锋,姜昌金.基于OPC的分布式监控系统的研究与设计 [J ].工业控制计算机, 2004 9 作者简介张广龙1981 - ,男,在读硕士研究生。2003年毕业于 中国矿业大学电气工程与自动化专业,现主要从事配电网自动化的 研究。 收稿日期 2005 - 04 - 07;责任编辑姚克 截割头截齿安装定位的设计方法 徐小粤 煤炭科学研究总院 太原分院,山西 太原030006 摘 要 介绍一种截割头的设计方法,它能够准确、 有效地实现截齿及齿座安装定位设计。 关键词 掘进机;截割头;截齿 中图分类号 TD421. 5 2 文献标识码B 文章编号 1001 - 0874 2005 04 - 0011 - 03 A Design forAttaching Bits Onto Cutting2Head XU Xiao2yue China Coal Research Institute Taiyuan Branch, Taiyuan 030006, China Abstract The paper introduces a design of cutting2head, which can exactly、effectively carry out the attaching design of bits and bit2holders . Keywo rds roadhead ; cutting2head; bit 在掘进机截割头设计中,截齿排列是一项重点 内容,它包括确定截割头的包络、 截距、 螺旋头数等 排列参数,还必须准确确定齿座有关的安装参数。 安装定位设计问题是至关重要的。 1 安装参数 截齿及齿座的安装参数决定截齿的空间位置及 方向,除齿尖位置参数外,还包括决定截齿三维空间 姿态的角度参数倒角 β 、 转角 α和仰角 γ以及与 截割头体配合有关的齿座安装角 ε等。此外,截割 头体的外廓尺寸也与截齿及齿座的安装参数密切相 关。这些参数关系到截齿排列,直接影响截割头的 截割性能 [1]。 2 设计方法 截齿及齿座安装定位设计的主要目标是①使 截割头满足截齿排列设计的要求;②使各个截齿具 有实现最佳截割性能的空间姿态;③使各个齿座与 截割头体的配合可行并且合理。 截齿及齿座的安装定位设计是三维空间设计, 常规的设计方法很难适用,需要借助空间几何等数 学方法来解决设计中的问题。 1假想平面 所谓假想平面,就是将截齿和齿座对称剖分的 平面,见图1a。对截齿及齿座的平移、 旋转等操作 都可用假想平面的相应行为来表述。 假想平面用πn表示,上面设坐标系XnYnZn,坐 标原点在齿尖处;同时让齿座底面与Xn坐标轴相垂 直,这样可使截齿和齿座定位参数的描述最为简化。 比如,齿尖位置A就是0,0,0、 齿座底面中心点B 就是 - s, - t,0。图1b中还表示出截齿的方向 矢量F和齿座底面的法向矢量N。这两个矢量的表 示为N i x、z轴分量均为0 , F sinεi cosεj z 轴分量为0 , 其中,ε表示齿座的安装角。截齿和 齿座被视为“ 捆绑 ” 在假想平面内,它们之间没有任 何相对运动。 2安装定位过程 112005年第4期煤 矿 机 电 图1 假想平面 按照预先规定的参数把截齿及齿座安装到截割 头上去。齿尖位置由截齿排列参数决定,空间方向 由倒角β 、 转角α和仰角γ决定。 安装定位过程的具体步骤是 1 建立截割头主坐标系XYZ,齿尖位置用高度 h、 半径r和θ 角三个参数表示图2a ; 2建立截齿定位归一化坐标系X0Y0Z0,使齿 尖落在X0OZ0坐标面内; 3置入一假想平面π1称为初始平面,坐标系 用X1Y1Z1表示 , 使其坐标原点位于齿尖的设计位 置上,并且让它的各个坐标轴与归一化坐标系的对 应坐标轴同向; 4根据倒角的要求,将π1以Y1为轴“ 倒 ” 一个 β角 ,形成平面π2,称为倒角平面,坐标系用X2Y2Z2 表示图2b ; 5根据转角的要求,将π2以X2为轴“ 转 ” 一个 α角, 形成平面π3,称为转角平面,坐标系用 X3Y3Z3 表示图2c ; 6根据仰角的要求,将π3以Z3为轴“ 仰 ” 一个 γ角 ,形成平面π4,称为仰角平面,坐标系用X4Y4Z4 表示图2d。 在安装定位过程中齿尖一直保持在设计位置 上,而经过“ 倒 ” 、 “ 转 ” 和“ 仰 ” 后,现在截齿的空间 方向也符合设计的要求了。 3检查打击角 截齿的打击角δ 是实现最佳截割性能的关键参 数,它是截齿齿尖的运动方向V与截齿方向矢量F 之间的夹角图3。 图2 截齿及齿座的安装定位过程 图3 截齿的打击角 通过这两个矢量的数量积运算就可以求得打击 角δ δarccos F V 21 煤 矿 机 电 2005年第4期 截割头横向牵引速度对V的影响一般较小,可 以忽略不计。 图3所示的 δ a和 αa比 δ包含了更明确的信 息。δ a是 F与Y1O1Z1坐标面之间的夹角,是真正 的打击角; F与X1O1Y1坐标面之间的夹角 αa是真 正的转角,可以算得 δ a arccos F XYY1 | FXY| αa FZ | FZ| arccos F FXY | FXY| 式中 FXYF在坐标面X1O1Y1上的投影; FZF在Z1轴上的分量。 判断δ或 δ a和 αa是否满足要求。如果不满 足,就需要调节仰角 γ和转角 α等,重新进行设计, 直到满足为止。 4检查齿座与截割头体的配合 1 确定截割头体尺寸 综合各个齿座底面中心点的位置,确定截割头 体尺寸。应保证截割头体表面与任何一个齿座底面 之间不出现过盈配合,存在适量的间隙是可以的。 2 检查截割头体表面与齿座底面中心之间的 距离d a.建立齿座坐标系X5Y5Z5,使齿座底面中心点 B正好落在X5OZ5坐标面内,如图4所示 以Z0 为轴将归一化坐标系反向旋转ω角度; 图4 齿座坐标系 b.确定过B点的截割头体表面法向直线M M是坐标面X5OZ5中截割头体的母线L的垂线,见 图5; c.确定法向直线M与截割头体表面的交点P; d.计算P点与齿座底面中心B点之间的距离。 3 检查截割头体表面切平面与齿座底平面 的不平行角Ψ 计算齿座底面与截割头体表面切平面的夹 角Ψ Ψarccos N M 图5 配合参数示意图 图5中所示的 Ψβ和 Ψγ比 ψ包含了更明确的 信息,前者是对倒角β而言、 后者是对仰角而言的偏 差量正值表示“ 过 ”,负值表示“ 欠 ”。这两个参 数可以通过下列计算得到 Ψβ N5Z- M5Z | N5Z- M5Z| arccos M NXZ | NXZ| Ψγ N5Y- M5Y | N5Y- M5Y| arccos M NXZ | NXZ| 式中NXZN在坐标面X5OZ5上的投影; N5Y、N5Z、M5Y和M5ZN、M的在Y5和Z5轴上 的分量。 判断配合状况是否满足要求,如果不满足,就需 要调节倒角β 、 转角α 、 齿座安装角ε等参数,然后重 新进行设计,直到满足为止。 当所有设计要求都得到满足之后,就可以用确 定下来的排列及安装参数来设计和制造工装模具, 并采用以齿尖为定位参照基准,严格按照截齿安装 角度要求的制造工艺来加工制造截割头,以确保实 际产品与设计要求相符。 3 结语 从上面的叙述中可以看出,这一方法最显著的 特点是,它的每个步骤都可以用准确、 简明的数学方 法来进行描述。这不仅能使设计变得准确、 直观,而 且设计中所遇到繁琐的几何计算可以由计算机来自 动处理,如果再配上人机对话图形界面等手段,就会 变得更得心应手。 参考文献 [1 ] 徐小粤,等.用CAD判断悬臂式掘进机切割头设计的可行性 [J ].中州煤炭, 19975 作者简介徐小粤1958 - ,女,高级工程师。1982年毕业于中国 矿业大学,现在煤炭科学研究总院太原分院掘进机研究所从事掘进 机设计和研究工作。 收稿日期 2005 - 04 - 25;责任编辑陶驰东 312005年第4期煤 矿 机 电