采掘機(jī)械截割裝置設(shè)計(jì)及檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展

摘要：介紹采掘機(jī)械截割裝置上截齒排布的特點(diǎn)和空間位姿控制參數(shù)，分析了通過(guò)編制專(zhuān)用設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)參數(shù)化排布截齒的可實(shí)現(xiàn)性。對(duì)國(guó)內(nèi)外掘進(jìn)機(jī)、連續(xù)采煤機(jī)和滾筒式采煤機(jī)截割裝置的專(zhuān)用設(shè)計(jì)軟件及其功能進(jìn)行了分類(lèi)介紹，為后續(xù)截割裝置設(shè)計(jì)性能分析提供技術(shù)依據(jù)。基于露天采礦裝備截割滾筒截齒磨損自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)，提出了適用于煤礦井下截割條件相似的連續(xù)采煤機(jī)和掘錨機(jī)組截割滾筒的截齒磨損自動(dòng)檢測(cè)方法，為未來(lái)智慧礦山無(wú)人化開(kāi)采提供技術(shù)參考。

Abstract： The characteristics of pick arrangement on cutting device of mining machinery and the control parameters for spatial posture of picks were introduced， and the realization of parameterized arrangement for picks by a special design program was analyzed. The special design softwares and their functions of cutting devices for domestic and foreign roadheaders， continuous miner， and drum shearers were classified and introduced， which providing a technical support for the analysis of design performance of subsequent cutting devices. Based on the automatic detection technology of cutting drum pick wear of open-pit mining equipment， this paper puts forward an automatic detection method of cutting drum pick wear for continuous miner and bolter miner， which have similar cutting conditions of coal mine underground， and provides technical reference for unmanned mining of intelligent mine in the future.

關(guān)鍵詞：采掘機(jī)械;截割裝置;截齒;設(shè)計(jì)軟件;磨損檢測(cè)

Key words： mining machinery;cutting device;pick;design software;wear detection

中圖分類(lèi)號(hào)：TD42? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）11-0183-05

0? 引言

截割裝置是采掘機(jī)械破巖的關(guān)鍵部件，根據(jù)采掘機(jī)械工作形式不同，截割裝置可分為掘進(jìn)機(jī)所使用的截割頭以及連續(xù)采煤機(jī)或采煤所使用截割滾筒。無(wú)論截割頭或是截割滾筒外形通常為圓柱體、圓錐體、球體的單純組合結(jié)構(gòu)或由上述特征擬合形成復(fù)雜表面輪廓結(jié)構(gòu)。截齒在截割裝置上以螺旋線形式有序排列，其分布位置和空間姿態(tài)角度對(duì)截割載荷、截割能耗、截割振動(dòng)以及煤巖塊度、截齒磨損等采掘裝備工作性能影響顯著。本文主要介紹目前國(guó)內(nèi)外在截割頭和截割滾筒設(shè)計(jì)中使用的軟件系統(tǒng)及其功能，為采掘機(jī)械截割裝置設(shè)計(jì)專(zhuān)用軟件的研發(fā)提供參考。

1? 齒座在截割裝置上的分布特點(diǎn)

齒座以一定空間姿態(tài)焊接在截割裝置表面，截齒安裝在齒座孔中，齒尖按照特殊的空間螺旋線排布在截割裝置上。以圖1所示縱軸式截割頭為例，截齒齒尖繞截割頭主坐標(biāo)系繞行θ角后沿Z軸移動(dòng)相依的距離后到達(dá)P點(diǎn)，位于P點(diǎn)的截齒和齒座裝配體按照先繞Y1軸旋轉(zhuǎn)倒角β，再繞X2-3軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角α，最后繞Z3-4軸旋轉(zhuǎn)仰角μ，使截齒相對(duì)截割頭預(yù)訂設(shè)計(jì)姿態(tài)到達(dá)預(yù)訂設(shè)計(jì)位置。

截齒在空間的位置和姿態(tài)可分別由3個(gè)定位設(shè)計(jì)參數(shù)和3個(gè)定向設(shè)計(jì)參數(shù)共同確定，見(jiàn)表1。截割裝置上所有截齒空間位姿均可按照上述設(shè)計(jì)方法進(jìn)行確定，這就為實(shí)現(xiàn)截割裝置參數(shù)化設(shè)計(jì)以及性能分析提供了設(shè)計(jì)理論依據(jù)。

2? 國(guó)外截割裝置設(shè)計(jì)專(zhuān)用軟件的研發(fā)成果

為降低同時(shí)參與破巖的截割頭上各截齒受力差異，避免出現(xiàn)某一局部區(qū)域中截齒受載過(guò)大進(jìn)而造成該截齒過(guò)早失效，Sandvik公司在掘進(jìn)機(jī)截割頭的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用了截割頭設(shè)計(jì)和仿真專(zhuān)用軟件對(duì)截齒排布及截割頭破巖過(guò)程的工作性能進(jìn)行模擬[1]，如圖2所示，并根據(jù)截消耗量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)截齒排布進(jìn)行不斷改進(jìn)，研制了適合不同巖石硬度條件下的多種截割頭。研究結(jié)果表明，通過(guò)降低截割頭旋轉(zhuǎn)速度獲得更高的截割扭矩，能顯著改善截割頭的破巖效果。隨著錐形截齒性能的不斷提升，在切削過(guò)程中截齒可以承受更高的載荷，進(jìn)一步提高了截割頭在硬巖條件下的工作適應(yīng)性。

由波蘭西里西亞工業(yè)大學(xué)礦業(yè)機(jī)械學(xué)院采礦機(jī)械化研究所開(kāi)發(fā)的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭輔助設(shè)計(jì)軟件KREON能實(shí)現(xiàn)縱軸式和橫軸式截割頭截齒排布參數(shù)的設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了Autodesk環(huán)境下的快速三維建模[2]，如圖3所示。軟件并能根據(jù)給定的條件模擬計(jì)算出對(duì)應(yīng)的截割載荷，繪制切屑圖和巷道斷面輪廓圖等。截齒排布參數(shù)可導(dǎo)入KUKA機(jī)器人離線編程系統(tǒng)，對(duì)該截割頭的機(jī)器人制造過(guò)程進(jìn)行進(jìn)一步模擬分析。

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（CSIRO）針對(duì)連續(xù)采煤機(jī)截割滾筒的特點(diǎn)，研制開(kāi)發(fā)了“截割滾筒設(shè)計(jì)軟件”系統(tǒng)，如圖4所示。軟件分為功能選擇、約束檢查、參數(shù)設(shè)置和分析報(bào)告4個(gè)主要功能模塊，能實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)采煤機(jī)截割滾筒工作過(guò)程切屑形成過(guò)程的模擬，并能對(duì)作用在截割滾筒上同時(shí)參與工作的有效截齒總數(shù)、載荷和扭矩進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)。Somanchi等人與Kennametal公司合作開(kāi)發(fā)的截割滾筒設(shè)計(jì)軟件[3]，對(duì)影響截割滾筒工作效果的6個(gè)主要參數(shù)進(jìn)行了2組模擬研究，如圖5所示。結(jié)果顯示，除平衡角外，其余參數(shù)的變化均會(huì)引起截割載荷的顯著變化。

Tiryaki等人研制了采煤機(jī)截割滾筒工作過(guò)程模擬軟件系統(tǒng)[4]，分別對(duì)2種不同形式的采煤機(jī)滾筒的工作過(guò)程進(jìn)行對(duì)比模擬計(jì)算，如圖6所示。通過(guò)對(duì)作用在滾筒上載荷的三向分力、截割扭矩以及參與截割有效齒數(shù)的變化研究了截齒排布參數(shù)對(duì)截割效果的影響。

3? 國(guó)內(nèi)截割裝置設(shè)計(jì)專(zhuān)用軟件的研發(fā)成果

史秀寶基于MATLAB編制了截割頭的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件[5]，如圖7所示，可以對(duì)截割巖石或煤炭過(guò)程中作用在截割頭上的載荷進(jìn)行模擬，能對(duì)鉆進(jìn)和橫擺聯(lián)合工況的切屑圖進(jìn)行模擬，并實(shí)現(xiàn)了在Pro/E環(huán)境中的截割頭自動(dòng)建模。

魏蒼棟等人通過(guò)應(yīng)用“截割頭截齒計(jì)算程序”對(duì)截割功率為260kW掘進(jìn)機(jī)的截割頭進(jìn)行截齒設(shè)計(jì)計(jì)算，并在SolidWorks環(huán)境中完成了截齒和齒座自動(dòng)裝配建模[6]。李曉豁等人基于MATLAB開(kāi)發(fā)了采煤機(jī)滾筒截割載荷模擬計(jì)算程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)前后滾筒的截割煤體的工作載荷進(jìn)行模擬驗(yàn)證和自相關(guān)分析，如圖9所示。

張夢(mèng)奇等人提出截割頭齒座參數(shù)化定位技術(shù)[7]，開(kāi)發(fā)了由設(shè)計(jì)模塊、制造模塊和檢測(cè)模塊組成的截割頭設(shè)計(jì)系統(tǒng)，建立了截割頭產(chǎn)品全生命周期管理方法。其中截割頭設(shè)計(jì)軟件能對(duì)排布螺旋線、截割頭不同移動(dòng)速度與轉(zhuǎn)速匹配條件下的切屑圖、不同巖石硬度條件下的截割功率和截割載荷以及截齒自磨礪性能進(jìn)行全面計(jì)算分析，并建立了截齒和齒座三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了基于參數(shù)化技術(shù)的截割頭三維自動(dòng)建模[8]和機(jī)器人自動(dòng)制造過(guò)程可視化模擬，如圖10所示。

4? 截割裝置檢測(cè)技術(shù)

在采掘設(shè)備工作過(guò)程中，自動(dòng)檢測(cè)并提示需要更換的截齒序號(hào)能有效提高截割破巖性能，并避免截齒失效導(dǎo)致的齒座或截割頭失效。為此Wirtgen公司開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了對(duì)截齒磨損狀態(tài)的自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)WPI，可對(duì)露天采礦設(shè)備截割滾筒上的截齒磨損情況進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，工作原理如圖11所示。檢測(cè)部分由8組固定在機(jī)身上的激光發(fā)射器和光學(xué)傳感器組成。

當(dāng)截割滾筒空載轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由發(fā)射器發(fā)出的光源照射在截齒和齒座表面[9]，通過(guò)三角測(cè)量原理檢測(cè)光源截割滾筒表面投影輪廓線的偏移。由于固定在機(jī)身上的光源和傳感器的位置相對(duì)角度差不變，因此可以通過(guò)計(jì)算獲得截割滾筒表面的三維輪廓高度坐標(biāo)，并由此判斷存在磨損的截齒，如圖12所示。

基于煤礦井下采掘機(jī)械的工作形式和截割滾筒的旋轉(zhuǎn)形式，該技術(shù)特別適用于工作條件相似的連續(xù)采煤機(jī)及掘錨機(jī)組損壞截齒的自動(dòng)檢測(cè)。在上述設(shè)備的減速器機(jī)殼與截割滾筒之間或在截割臂上方，根據(jù)截割滾筒的寬度，設(shè)置多組防爆激光發(fā)射器和光學(xué)傳感器。檢測(cè)過(guò)程如下：后撤采掘機(jī)械至安全位置，將截割大臂升至水平位置，啟動(dòng)截割滾筒和外噴霧系統(tǒng)清理附著煤泥。開(kāi)啟自動(dòng)檢測(cè)功能，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，計(jì)算通過(guò)確定位置上截齒的幾何輪廓形狀平均偏差，并與完好截齒的輪廓進(jìn)行自動(dòng)對(duì)比計(jì)算后，從而確定截割滾筒上截齒的損壞程度。

5? 結(jié)語(yǔ)

①通過(guò)介紹截齒在采掘機(jī)械截割滾筒上的排布特點(diǎn)，分析了通過(guò)編制計(jì)算程序?qū)崿F(xiàn)截齒排布參數(shù)化設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性;②分析了國(guó)內(nèi)外截割頭、連續(xù)采煤機(jī)和采煤機(jī)三種典型采掘機(jī)械目前所采用的截割裝置設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件及功能作用;③提出了適用采掘裝備的截齒磨損實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測(cè)方法，為未來(lái)智慧礦山建設(shè)中的無(wú)人化采掘技術(shù)提供技術(shù)依據(jù)。

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