掘進(jìn)機(jī)截齒定位精度對(duì)硬巖截割能力的影響

閻立哲

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 西山中煤機(jī)械制造公司，山西　太原　030051)

·試驗(yàn)研究·

掘進(jìn)機(jī)截齒定位精度對(duì)硬巖截割能力的影響

閻立哲

(西山煤電(集團(tuán))有限責(zé)任公司 西山中煤機(jī)械制造公司，山西太原030051)

摘要針對(duì)西山煤電集團(tuán)東曲礦在遇到硬巖開(kāi)采時(shí)，普通的掘進(jìn)機(jī)截割頭截齒磨損嚴(yán)重，進(jìn)尺低，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率的難題，西山中煤機(jī)械制造公司研發(fā)設(shè)計(jì)了適合于截割頭齒座自動(dòng)點(diǎn)裝、焊接的截齒焊接機(jī)械手定位系統(tǒng)，保證了齒座的定位精度，提高了截齒排列的準(zhǔn)確性，使誤差控制在1 mm以下，從工藝上保證了截齒分布均勻而且排屑效率高，使掘進(jìn)機(jī)截割頭具有較強(qiáng)的破巖能力、良好的截齒布置、較小的截齒消耗和較高的工作效率，該系統(tǒng)以穩(wěn)定、高效、粉塵吸收少等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用在煤礦硬巖開(kāi)采中。

關(guān)鍵詞掘進(jìn)機(jī)；截割頭；截齒排布；硬巖；定位工裝；機(jī)械手定位

1問(wèn)題的提出

長(zhǎng)期以來(lái)，西山煤電集團(tuán)公司大部分煤礦在遇到巖石硬度系數(shù)f>5的斷面掘進(jìn)時(shí)，普通的截割頭截齒磨損嚴(yán)重，進(jìn)尺低，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率(實(shí)際上f>4的巖石已經(jīng)可以造成截割頭截齒的嚴(yán)重破損)。2012年西山煤電東曲礦在硬質(zhì)巖道開(kāi)采截割時(shí)，使用的EBZ315型掘進(jìn)機(jī)由于截齒定位精度不準(zhǔn)、截割頭布齒不均勻?qū)е屡判疾粫?，造成了截齒被巖泥包裹。此現(xiàn)象會(huì)造成：1) 破巖能力差，截割效率低。2) 截齒和齒座磨損嚴(yán)重，頻繁更換產(chǎn)生高昂的費(fèi)用。

由此可見(jiàn)，掘進(jìn)機(jī)截割煤巖的性能好壞主要從截割效率和截齒的壽命兩方面來(lái)評(píng)價(jià)，而影響截割效率和截齒壽命的因素主要包括：

1) 掘進(jìn)機(jī)截割頭的運(yùn)動(dòng)參數(shù)：截割頭轉(zhuǎn)速、橫向擺動(dòng)速度。

2) 截割頭形體幾何參數(shù)：直徑、長(zhǎng)度。

3) 截齒參數(shù)：總齒數(shù)、螺旋線頭數(shù)、螺旋升角、每線齒數(shù)、截線距等。

4) 煤巖力學(xué)性能參數(shù)：煤巖硬度普氏系數(shù)、抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度。

綜上可以看出，同種機(jī)型的掘進(jìn)機(jī)在同樣工況下，截割頭截齒的參數(shù)及其能否精確保證截齒的空間位置將直接決定截割效率和截齒壽命。因此，如何精確保證截齒的空間位置與實(shí)際工況相符的截齒排列，是掘進(jìn)機(jī)截割頭能否截割硬度系數(shù)f=9的煤巖的關(guān)鍵。

2截齒定位參數(shù)的確定

針對(duì)西山煤電集團(tuán)東曲礦硬質(zhì)巖道開(kāi)采時(shí)，普通的掘進(jìn)機(jī)截割頭已不能滿足巖道開(kāi)采需求，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率的難題，西山煤電集團(tuán)中煤機(jī)械制造公司研發(fā)設(shè)計(jì)制造的EBZ 260掘進(jìn)機(jī)硬巖截割頭，運(yùn)用基于等螺旋升角的截齒排列參數(shù)化設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)工作,改善了排屑性能，截齒分布均勻，排屑效率高。其中選取適合的定位參數(shù)保證截線間距沿截割頭大端向前呈遞減分布,使各截齒受力均勻、磨損相當(dāng)、壽命同步。

對(duì)于截齒及齒座的定位設(shè)計(jì)，有5個(gè)主要參數(shù),即:軸距離Z、切割半徑Rg、圓周角θ、倒角β、轉(zhuǎn)角即齒座中心線與截割頭體中心的45°夾角。前4個(gè)參數(shù)通過(guò)簡(jiǎn)便畫法顯示,見(jiàn)圖1.XY面上的圓周角θ及切割半徑Rg確定了齒尖的橫向位置；ZY,ZX面上的軸向距離Z確定了齒尖的縱向位置。這3個(gè)參數(shù)的交點(diǎn)即為齒尖點(diǎn)；倒角β是齒尖中心線與軸向Z的夾角,確定齒尖中心線的方向。前4個(gè)參數(shù)僅確定了齒尖的空間位置,第5個(gè)參數(shù)轉(zhuǎn)角確定了截齒座在截割頭體上的最終位置。

圖1　截齒的定位參數(shù)示意圖

3人工點(diǎn)裝的定位工裝

人工點(diǎn)裝的工裝設(shè)計(jì)，是通過(guò)對(duì)以上各參數(shù)分析,設(shè)計(jì)焊接工裝時(shí)主要通過(guò)彎板和刻度圓盤的組合應(yīng)用來(lái)保證參數(shù)。EBZ 260掘進(jìn)機(jī)硬巖截割頭截齒焊接的組立工裝示意圖見(jiàn)圖2, 平面刻度圓盤在一個(gè)圓盤上規(guī)定“0”度為基準(zhǔn)線,各截齒的圓周角都是相對(duì)“0”基準(zhǔn)而言的。制做彎板時(shí), 也在截齒各參數(shù)尺寸的相應(yīng)位置, 標(biāo)出各截齒的代號(hào), 以方便組立，由此來(lái)確定截齒座在截割頭體上的最終位置。

1—分度盤　2—彎板圖2　硬巖截割頭截齒焊接組立工裝示意圖

工裝焊接截齒時(shí)，人工定位并不能完全保證位置、角度、截割間距的準(zhǔn)確性，而這些誤差最終會(huì)影響截割頭的截割效果。2012年，西山煤電集團(tuán)東曲礦運(yùn)煤巷道就是由于巖石硬度系數(shù)大，原有的掘進(jìn)機(jī)截割頭不能滿足硬質(zhì)巖道掘進(jìn)開(kāi)采的需求，從而達(dá)不到破巖目的,無(wú)法連續(xù)工作，穩(wěn)定性能差且增加了截齒的消耗。

4研發(fā)截齒焊接機(jī)械手定位系統(tǒng)

截割頭、截齒排列復(fù)雜，定位參數(shù)繁復(fù)，傳統(tǒng)的人工定位方法，只是靠人工量尺，操作繁瑣，誤差大。為滿足煤礦硬質(zhì)巖道的開(kāi)采需求，保證齒座的定位精度，西山中煤機(jī)械制造公司重新設(shè)計(jì)了適合截割頭齒座自動(dòng)點(diǎn)裝、焊接的截齒焊接機(jī)械手定位系統(tǒng)，提高了截割效率和破巖能力。系統(tǒng)由定位機(jī)器人、焊接機(jī)器人、搬運(yùn)工裝等3部分組成。其中，搬運(yùn)工裝主要由托起截割頭的分度圓盤和圓盤下面的旋轉(zhuǎn)支架構(gòu)成，分度圓盤分為16個(gè)區(qū)間，每一個(gè)區(qū)間都標(biāo)有標(biāo)號(hào)；定位機(jī)器人是此點(diǎn)裝系統(tǒng)的核心，其功能為抓齒定位；焊接機(jī)器人可按既定操作自動(dòng)點(diǎn)裝、焊接。截齒焊接定位系統(tǒng)工作效果圖見(jiàn)圖3.

圖3　截齒焊接定位系統(tǒng)工作效果圖

該系統(tǒng)基于SolidWorks軟件建立截割頭模型，并使用仿真對(duì)新型35顆截齒的EBZ 260截割頭建模，正確進(jìn)行零件造型創(chuàng)建三維模型，不僅造型美觀，而且方便修改和調(diào)整。要求所創(chuàng)建的零件造型結(jié)構(gòu)完整，尺寸和幾何約束齊全、正確，以便于在今后的零件設(shè)計(jì)過(guò)程中，隨時(shí)可以對(duì)不合理的結(jié)構(gòu)做出修改。

該焊接系統(tǒng)采取離線編程的辦法，使機(jī)器人焊接程序的編制、焊縫軌跡坐標(biāo)位置的獲取以及程序的調(diào)試均在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上獨(dú)立完成。機(jī)器人離線編程系統(tǒng)是基于SolidWorks軟件，建立起機(jī)器人及其工作環(huán)境的模型，利用一些規(guī)劃算法，通過(guò)對(duì)圖形的控制和操作，在不使用實(shí)際機(jī)器人的情況下進(jìn)行軌跡規(guī)劃，從而產(chǎn)生機(jī)器人程序。

使用焊接定位系統(tǒng)焊接時(shí)，先將截割頭置于分度盤上，而每一個(gè)截齒的圓周角分別落在其所在的區(qū)間內(nèi)，每次焊接1個(gè)齒座都需將分度盤轉(zhuǎn)至定位機(jī)器人一側(cè)，按螺旋線由下至上依次焊接，見(jiàn)圖4.

截割頭上的每一個(gè)齒座對(duì)應(yīng)一個(gè)定位程序，使每一個(gè)齒座都處于合適的位置，在試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)每個(gè)齒座做標(biāo)記，在截割過(guò)程中根據(jù)截割情況，對(duì)截割不理想的截齒座位置進(jìn)行分析討論，然后修改該齒座的定位程序參數(shù)，再進(jìn)行截割試驗(yàn)，試驗(yàn)成功后對(duì)每個(gè)齒座的定位程序參數(shù)定型保存。

使用此焊接工藝有效提高了定位精度,從而提高了截割效率和破巖能力。傳統(tǒng)人工點(diǎn)裝與使用截齒焊接機(jī)械手定位系統(tǒng)的截割實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表1，圖片對(duì)比見(jiàn)圖5.

圖4　EBZ 260掘進(jìn)機(jī)硬巖截割頭截齒排布俯視圖

表1　T260A與T260B型截割頭硬巖截割實(shí)驗(yàn)對(duì)比表

圖5兩種型號(hào)的截割頭硬巖截割的圖片對(duì)比

由表1、圖5得出試驗(yàn)分析結(jié)果：1) T260A前方截齒排布合理，鉆進(jìn)效果較好。2) T260A出現(xiàn)嚴(yán)重磨損的原因是截齒人工點(diǎn)裝，位置與設(shè)計(jì)要求出現(xiàn)偏差造成盲區(qū)，導(dǎo)致截齒嚴(yán)重磨損。3) T260B截齒排布合理，鉆進(jìn)、破巖效果較好。4) T260B截齒未出現(xiàn)短時(shí)嚴(yán)重磨損。

5結(jié)論

綜上所述，采用機(jī)器人自動(dòng)抓取齒座的方式定位截齒，提高了截齒排列的準(zhǔn)確性，使誤差控制在1 mm以下，從工藝上保證了截齒分布均勻，具有較高的排屑效率，實(shí)現(xiàn)了截齒排布合理，鉆進(jìn)、破巖效果較好，良好的截齒布置、較小的截齒消耗和較高的工作穩(wěn)定性，降低了硬巖截割的成本，提高了掘進(jìn)機(jī)在遇到硬巖斷面時(shí)的工作效率。截齒焊接機(jī)械手定位系統(tǒng)以其穩(wěn)定、高效、粉塵吸收少等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用在煤礦硬巖開(kāi)采中，為西山煤電集團(tuán)公司煤礦開(kāi)采帶來(lái)了新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)。

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The Influence of Heading Machine Cutting Pick Positional

Accuracy to Hard Rock Cutting Ability

YAN Lizhe

AbstractAiming at the problems that cutting pick of common heading machine cutting head wears severely, drilling footage is slow, affects the production efficiency seriously on hard rock mining in Xishan coal electricity group Dongqu coal mine. XiShanZhongmei machinery manufacturing company researches and designs the cutting pick welding manipulator positioning system which suits to cutting head toothholder automatic loading and welding. Ensures the positioning accuracy of toothholder, improves the accuracy of cutting pick arrangement, controls the error under 1 mm. Ensures the homogeneous distribution of cutting pick and efficient discharging metal scraps in the process, makes the heading machine cutting head with the strong cutting capability, well cutting pick arrangement, small cutting pick consumption and high work efficiency. The system with the advantages of stable, efficient and less dust absorption is widely used in hard rock mining of coal mines.

Key wordsHeading machine; Cutting head; The arrangement of cutting pick; Hard rock; Manipulator localization

中圖分類號(hào)：TD421.5+4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)08-0015-03

作者簡(jiǎn)介：閻立哲(1987—)，男，山西祁縣人，2010年畢業(yè)于中北大學(xué)，2014級(jí)太原理工大學(xué)在讀工程碩士，助理工程師，主要從事煤礦機(jī)械制造技術(shù)工作，(E-mail)421717996@qq.com

收稿日期：2015-06-19