Suggested methods for optimum rotative motion of point attack type drag tools in terms of skew angles

ABSTRACT

Rotation of point attack picks in their tool holders is of crucial importance for an efficient performance of machines used for tunnelling and underground excavations of rocks and coal. With current machines, skew angle has been extensively employed to achieve tool rotation. There has, however, been no common definition and suggestion on application of skew angles, due to the differences between the results of research investigations conducted in this field. This paper sets out the findings of long-term practical research during tunnelling and underground excavation operations with roadheaders and drum shearers in order to bring a common understanding in rotation of point attack picks. Mechanism of tool rotation was discussed, and a number of formulas were derived and suggested for optimum cutting conditions for roadheaders and mechanical miners, respectively. The results showed that with drum shearers tool rotation is possible without skew angles, due to the asymmetry between adjacent grooves which generates sideways forces inducing rotative movement of picks. Skew angles were, however, found to be a must for roadheaders in consideration with tool holder damage which was significantly influenced by different settings of skew angles. Furthermore, point attack picks with small-diameter shanks were found to suffer from shank breakage resulting from high values of tool forces, when fitted on the nose portion of roadheaders cutting heads.     

A pick force calculation method suggested for tool lacing of mechanical excavators employing drag tools

Abstract

This paper deals with tool lacing design of partial-face cutting machines employed for mechanical excavations of rocks, coal and stones. A rational comparison between relief cutting and groove deepening was made by simulating actual cutting actions of picks under the same conditions at different spacing to depth ratios, respectively, through full-scale laboratory linear cutting experiments with radial and point attack tools. It was found that the top portion of a groove with approximately polygonal-shaped cross section has no significant effect on the magnitude of tool forces. The effective cutting was understood to take place mainly in the lower portion of this cross section, termed ‘effective area’, which is encompassed by a triangle with an apex angle twice the breakout angle of unrelieved groove. This finding has led to the introduction of a pick force calculation method for computer assessment of tool lacing for rock, coal and stone cutting machines. The ‘effective area’ of cross sections which were calculated by this method, was found to be in good correlation with corresponding measured tool forces. The method is simple and free from assumptions which have to be specified for various pick cutting position. It was also verified by the results of some experimental data of previous investigations.     

截割参数对镐型截齿截割比能耗的影响

为了研究相关截割参数对截割比能耗的影响,基于直线截割试验装置,在不同截割角条件下,使用5种不同锥角的镐形截齿对一种砂岩进行截割试验,研究了相关角度参数对截割力和比能耗的影响;在截割角为55°时,使用锥角80°的截齿,在不同截割厚度和截线距条件下进行截割试验,探讨了截割厚度和截线距对截割力和截割比能耗的影响。试验结果表明,清理角对截割力和截割比能耗有显著的影响,当清理角过小时,截齿与岩石之间产生严重的摩擦使截割力明显较大,从而使截割比能耗较大。当清理角小于等于10°时,平均截割力随截齿锥角的增大呈线性增大,随前角的增大呈线性减小,此时截割比能耗明显小于清理角大于10°时的截割比能耗,但锥角和前角对截割比能耗未见明显的影响趋势。平均截割力随截割厚度和截线距的增大呈线性增大。截割比能耗随截割厚度的增大呈幂函数减小。截线距与截割厚度的比值存在一个最优值使截割比能耗最小,此时截割比能耗相对无截槽影响时约降低65.1%。截线距与截割厚度比值的最优值为2或3,且该比值不受截割厚度和截线距的影响。这些结论对镐型截齿工作角度的设计及采掘机械工作机构截齿布置有重要的指导意义。     

基于LS-DYNA的不同形状截齿强度仿真分析

为了研究不同形状截齿的强度特征,针对截齿截割过程实际外负载为随机载荷的特点,利用LS-DYNA建立了结构形状不同的3种柔性体截齿实体模型,根据显示动力学理论构建基于I-E-F本构模型的岩石模型。通过对3种形状截齿截割过程进行仿真,得到截齿齿尖处的应力曲线变化及其统计值,以及不同硬质岩石下截齿的受力和变化趋势。所得结果为研究截齿形状对其强度的影响,提高截齿工作使用寿命提供了依据,为截齿的选择、设计和使用提供一种新的手段和方法。     

截齿顺次破岩机制的细观数值模拟及截线间距优化研究

为优化镐型截齿在截割头上的布置以提高掘进机截割效率, 借助PFC^3D颗粒离散元数值模拟软件构建了两把截齿顺次截割岩石的三维模型, 对不同截割深度和截线间距组合工况进行了模拟试验, 分析了镐型截齿顺次破岩机制和最优截线间距与截割深度的比值(s/h)。结果表明, 岩石在截齿作用下的破坏模式以张拉破坏占主导, 并伴随挤压和剪切的综合破坏; 截齿顺次截割时, 两相邻截齿之间存在明显的协同作用, 前刀在岩石内残留的裂纹使得岩石易于截割, 可以提高后刀的截割效率; 在模拟试验范围内, 随着s/h值增加, 比能耗呈先减小再增加的变化规律, 模拟结果表明最优s/h值约为3。该研究可为掘进机截割头排布设计提供参考依据。     

我国综掘技术及其发展研究

通过对巷道掘进机的发展历史和现状的分析,提出了如何确定掘进机掘进能力以及选择截割头和截齿的方法,介绍了国外一些先进的掘进技术,分析了综掘配套设备的现状及其发展,指出了提高掘进技术所需要的研究发展方向。     

掘进机截割头多目标优化设计研究

针对掘进机截割头载荷波动和能耗问题,基于各截齿受力均匀和同时参与截割的截齿数保持恒定的优化策略,对截齿排列参数和截割头运动参数进行了多目标优化设计。优化实例表明,截割头的载荷波动和比能耗得到了明显降低,提高了掘进机的工作可靠性和能量利用率。     

通过截齿运动轨迹分析截割头移动速度与转速匹配的方法

通过对截齿运动轨迹相关性的计算模拟,建立了A、B、C 3种截齿运动轨迹类型。对截割头上所有截齿的运动轨迹研究结果表明:通过分析截齿运动轨迹,可以使截割头移动速度与转速达到合理匹配;v-n图可以描述截割头在不同转速条件下合理移动速度的范围;当C型截齿运动轨迹数占截齿总数的百分比PC值较高时,各截齿均处于理想工作状态。     

瑞利随机分布下滚筒截割载荷重构算法与数值模拟

为了获得滚筒截割载荷特性曲线,对截齿与滚筒的受力进行了分析研究,得到了截齿轴向阻力与滚筒截割载荷的数值关系,运用自制的多截齿旋转截割煤岩实验设备,进行了截齿截割煤岩实验,得到了截齿三向力曲线,建立了滚筒截割载荷随机载荷曲线重构模型,给出了载荷重构算法,利用测试数据对滚筒截割载荷进行了数值模拟,得到了滚筒截割载荷重构载荷谱。研究结果表明:实验条件下煤岩崩落周期约为0.04 s,滚筒截割载荷数值上大于滚筒上各截齿同一时刻各截割阻力之和;滚筒截割载荷与参与截割的截齿截割阻力峰值、随机分布状态、截齿位置角、煤岩崩落周期及各截齿作用位置有关;所提算法与修正离散正则化算法比较,计算速度提高了约70倍,少样本数据下,该算法精度优于修正离散正则化算法,但重构数据只在重构点处具有真实性;使用改进的FFT算法进行重构曲线数值拟合,与FFT算法相比,计算量减小为原来的1/16,计算速度提高了约27倍,拟合优度相同,均为0.94,拟合曲线在总体趋势上比较平滑,呈现月牙形,与截割厚度变化规律一致,波形特征比较容易辨识,特征值便于判断和提取。研究结果为截齿三向力与滚筒截割载荷的关联提供依据,同时为滚筒截割载荷重构及数值拟合提供高效便捷的算法。     

基于LS-DYNA的掘进机截齿有限元分析

为了确定掘进机截齿的受力、应力分布情况及其破坏原因,通过MATLAB软件模拟单个截齿载荷,并利用ANSYS/LS-DYNA对截齿整个截割过程进行显式动力分析.研究表明,截齿的受力随切屑厚度的变化而变化,截齿的最大变形发生在刀头部位,截齿的最大应力点出现在刀头部位.研究结果为进一步改进截齿结构设计提供了理论依据.     

镐型截齿破损分析及新工艺研究

对国产镐型截齿破损的主要形式进行了分类和原因分析,表明国产镐型截齿过早破损的主要原因在于材料和工艺。以此分析为基础,提出了一套新的采煤机镐型截齿生产工艺     

掘进机截齿试验装置的方案设计

在掘进机镐形截齿选型的过程中,除了要对截齿进行理论分析,还要在井下进行试验验证。通过设计一台掘进机截齿试验装置,可以在试验室对截齿进行模拟截割试验。利用该装置,可以对不同规格的截齿在不同截割硬度、不同截割参数等条件下进行一系列的截割试验,为合理地确定截齿的有关截割参数,进一步提高截割效率和性能提供了可靠的资料。     

基于截齿轨迹确定掘进机截割头运动速度研究

为确定纵轴式掘进机截割头移动速度与转速的最佳匹配关系,对不带伸缩机构截割头截齿的运动规律进行分析,提出了相关截齿轨迹、半相关截齿轨迹和不关截齿轨迹3种轨迹形式,并利用SolidWorks的VBA语言开发出截齿轨迹相关性分析软件LCkam。对不带伸缩机构的截割头上所有截齿轨迹的模拟结果表明：通过分析截割头上各截齿的运动轨迹,可以计算并绘制出该种截割头移动速度v与转速的n匹配关系图,利用v-n图能够确定处于不同转速条件下截割头移动速度的合理范围。     

刀具磨损对工件质量影响的仿真分析

采用有限元分析方法。建立二维金属切削仿真模型．利用网格自适应准则，以不同圆弧半径的铣刀，模拟典型零件二维切削过程中切屑的形成。已加工表面的切削力和残余应力分布状况。结果表明。刀刃钝圆半径越小，刀尖越锋利。但是磨损较快。切削力很快增加。刀刃钝圆半径增大，切削刃工作长度增加，机床负荷增加，易引起振动影响表面加工质量。残余应力分布在工件表面以下的0．15mm以内很薄的金属层，这对于厚度较小的薄壁件加工后的变形有很大的影响。仿真结果对于工程中的实际应用具有重要的意义。     

EBZ-135掘进机截割头结构优化设计

 摘要：掘进机是巷道掘进的主要设备。该文就某企业掘进机存在截割头振动较大、截齿受力不均的问题,用ANSYS/LS-DYNA10.0软件建立了截割头和煤岩的数值模拟模型。通过仿真得到了截割头和各截齿的受力。再根据受力情况,反复调整优化了截齿截线间距,使得截割头和各截齿所受力的差异系数趋于平衡。同时,差异系数的减小,使掘进机的振动得到了有效控制,截割性能明显提高。     

横轴式掘进机截齿排列设计

对横轴式掘进机截割头的截齿布置进行了研究和设计,以截割头受力均匀、切屑大小均匀为准则,从整体上对截齿的排列进行设计。依照整体设计,可以同时考虑到截割头外形选择,螺旋线方程和头数的确定以及截齿的排列,具有一定的灵活性和很好的实用性,为横轴式掘进机截齿的排列提供了一种理论基础。     

基于Evans截割模型的镐型截齿峰值截割力的计算

为了能对镐型截齿在平面截割截槽对称条件下的峰值截割力进行较为准确的预测,基于Evans的截割模型,通过分析截割时齿头的锥形表面因岩石的夹制效应而接触应力分布有所不同,理论推导出了一个新的峰值截割力计算公式以及公式应满足的截割边界条件。相比现有其他截割力计算公式,除了考虑截齿半锥角θ、煤岩抗拉强度σt及齿岩之间摩擦因数f等参数的影响,且将煤岩的脆性指数m引入其中,计算结果与试验值更为接近。公式所应满足的截割边界条件,可用截深h和加载位置与相邻自由边界垂直距离s比值的最低限值smin/h表示,且值大小受截齿半锥角θ影响较小,而主要与煤岩脆性指数m有关,当m介于5~15时,smin/h介于2~3,符合既有试验所得结果。所得公式和结论可为进一步分析和推导镐型截齿在实际采掘条件下包含更多参数的峰值截割力提供理论基础和指导。     

钎料层厚度对两种不同截齿工作过程接头应力的影响

为了探究镐型截齿的硬质合金头脱落现象,针对普通截齿与耐磨截齿,研究镐型截齿工作过程中的钎焊接头应力分布情况以及钎料层厚度对接头应力的影响特征。利用ANSYS软件,分别建立普通截齿与耐磨截齿的弹塑性热力学模型,对两种镐型截齿进行热-结构顺序耦合分析,得到其钎焊残余应力分布,用实验验证模型正确性。将截齿破岩时的工作温度及外部载荷施加到钎焊残余应力模型上,仿真得到镐型截齿工作时钎焊接头的应力分布规律。分析结果表明:①未工作状态下,两种镐型截齿的钎料层与硬质合金头交界面处均出现最大钎焊残余应力,容易发生因热应力过大导致的钎缝开裂。②工作状态下,截齿的径向路径上,普通截齿与耐磨截齿的钎焊接头应力最大值近乎相等,均达到210 MPa左右,但其最大应力出现的位置不同,分别位于钎料层与刀体的交界面以及钎料层与硬质合金头的交界面处;轴向路径上,两种镐型截齿的应力最大值相差不大,且均出现在钎焊接头外表面处。耐磨层对镐型截齿整体应力的分布影响不大,但却使得镐型截齿最大应力出现的位置发生了偏移,使得镐型截齿硬质合金头脱落的危险位置发生变化。③普通截齿与耐磨截齿均在钎料层厚度为0.1 mm时得到接头应力最小值,此时镐型截齿钎焊接头的连接性能最好。     

镐型截齿截槽非对称的峰值截割力计算

为了能够对平面截割截槽非对称条件下镐型截齿垂直截割煤岩时的峰值截割力P_c'进行预测,基于截槽非对称模型,通过理论推导得到了截割孔半径r、截深h_1,h_2及煤岩左、右崩裂角Φ_1,Φ_2关系的一般表达式。提出了r相对截深h_1,h_2可忽略时截槽对称的峰值截割力P_c的新的计算公式;基于截槽非对称与截槽对称条件下的峰值截割力与表面接触半径的等效概念,即通过换算等效截深hequ,并利用截槽对称的峰值截割力P_c推导得出了截槽非对称的峰值截割力P_c'计算公式。所得到的截槽非对称(h_1h_2=h)的镐型截齿垂直截割的峰值截割力P_c',能够考虑截齿半锥角θ、煤岩抗拉强度σ_t、脆性指数m以及齿岩摩擦因数f等参数对其的影响;在保持h_2=h不变的条件下,得到P_c'与h_1/h_2的变化近似呈线性关系的结果。理论计算结果得到了试验结果的验证。     

基于小波包与SOM神经网络的截齿磨损状态识别

为实现采煤机截割过程中截齿磨损状态的实时在线监测,采用声发射传感器对不同磨损程度截齿截割时的声发射信号进行采集,采用小波包分析方法分析声发射信号不同频带能量的变化规律,建立能量值的样本空间,构建基于SOM神经网络的截齿磨损识别模型,实现对截齿不同磨损状态的在线监测。通过随机测试实验对截齿磨损状态识别模型进行验证,结果表明,基于小波包分析与SOM神经网络的截齿预测磨损状态识别模型识别精度较高,测试样本识别精度约95%。研究结果为准确识别截齿的磨损状态、提高采煤机的工作效率提供一种重要的技术手段。