镐型截齿三向载荷空间坐标转换的模型与分析

孙月华， 刘春生， 曹 贺， 李孝宇

(1.黑龙江科技大学 机械工程学院， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学， 哈尔滨 150022)

镐型截齿三向载荷空间坐标转换的模型与分析

孙月华1， 刘春生2， 曹 贺1， 李孝宇1

(1.黑龙江科技大学 机械工程学院， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学， 哈尔滨 150022)

基于镐型截齿截割实验的三向载荷谱，研究采煤机滚筒及镐型截齿三向载荷的定量特性。采用空间坐标转换的方法，建立镐型截齿实验载荷谱与镐型截齿坐标三向载荷谱和滚筒坐标下截割阻力、推进阻力及侧向阻力之间的转换模型，将实验载荷谱进行数值化，给出转换模型的解算方法，并模拟出滚筒坐标下的镐型截齿三向载荷谱。结果表明：滚筒坐标三向载荷谱与实验载何谱具有一致的变化趋势。该研究为采煤机滚筒载荷的研究与计算提供了一种简便和实用的方法。

截齿三向载荷； 空间坐标； 转换模型； 数值分析

0 引 言

滚筒是滚筒式采煤机的重要工作部件，由于煤岩的硬度、脆性和岩体的不均匀性，滚筒的受力具有随机性、波动和冲击较大的特点[1-2]。准确地获得滚筒载荷情况，对采煤机滚筒的可靠性计算和动力学仿真等具有重要意义[3-4]。采煤机是通过滚筒上的截齿破碎煤岩，截齿的截割性能直接影响着煤岩截割的效率和采煤机整机的性能。截齿截割煤岩的过程是极其复杂的动态随机过程，截割阻力谱隐含着煤岩破碎的重要信息[5]。采煤机的大部分功率都消耗在采煤机滚筒上，滚筒和截齿的受力分析是设计和研究采煤机的基础。截割时采煤机滚筒受到截割阻力、推进阻力和侧向阻力的作用，采煤机滚筒上的作用力主要为参与截割的截齿力及力矩的代数和。由于煤岩性质的变化，截齿分布的不均匀以及单位时间内截齿工作数量的不同，采煤机滚筒上载荷的大小和作用点都随机变化。刘春生等[6-7]对割岩截齿的应力分布及其载荷的仿真进行了研究，获得镐型截齿截割煤岩时的应力分布与载荷特性。借鉴国内外的研究成果，笔者利用多截齿参数可调式旋转截割实验台，测得截齿坐标的三向载荷，研究此三向载荷的空间坐标转换关系，从而建立采煤机滚筒的截割阻力、推进阻力和侧向阻力三向载荷模型。

1 实验方法与结果

采煤机在工作时，滚筒上截齿切削厚度是变化的，滚筒旋转一周切削厚度先增大后减小，形成月牙形。截齿所受的三向载荷如图1所示。其中P是垂直截齿轴线的径向载荷，A是与截齿轴向相同的轴向载荷，X是截齿所受侧向载荷[8-10]。

图1 截齿截割受力

为了能够准确地获得截齿截割煤岩的载荷，利用截齿截割实验台进行截齿载荷测试。实验台包括三向载荷测试装置、信号检测及处理系统、扭矩测试系统、旋转截割驱动装置和推进装置等。文中应用实验台的三向载荷测试系统进行镐型截齿的三向载荷测试。实验台的核心单元为三向载荷测试系统，其主要由测力装置、力传感器、信号放大器及数据采集和信号处理系统组成。图2所示是三向载荷测试装置，实验中镐型截齿截割煤壁承受的载荷通过齿套传递给传感器[8-12]，其中测力传感器检测轴向载荷As，检测径向载荷Ps，以及侧向载荷Xs。检测结果通过信号放大器、数据采集和信号处理系统进行处理。

图2 三向载荷测试装置

实验条件：镐型截齿长度为160 mm，齿身长90 mm，测力杠杆比0.739，齿尖夹角75°，齿尖合金头伸出长度14 mm，煤岩截割阻抗为180～200 kN/m,截割臂转速41 r/min，安装角45°镐型截齿倾角10°，牵引速度为0.82 m/min，实验测试得到的镐型截齿的三向截割载荷谱，如图3所示,它们是镐型截齿轴向、径向、侧向实验时力传感器上的示值。由均值可以看出其变化规律与采煤机滚筒截割煤岩的月牙形同步。

a 轴向载荷谱

b 径向载荷谱

c 侧向载荷谱

2 截齿三向载荷转换模型

截齿坐标的截齿三向载荷与滚筒坐标的截齿三向载荷在方向定义上和大小是不同的。如图4所示，表示出截齿坐标下三向载荷与滚筒坐标下三向载荷的关系。

图4 截齿三向载荷与滚筒三向载荷的关系

传感器实测截齿坐标三向载荷为：轴向载荷As、径向载荷Ps、侧向载荷Xs；截齿坐标齿尖三向载荷：轴向载荷A、径向载荷P、侧向载荷X；滚筒坐标下截齿三向载荷：截割阻力Pz、推进阻力Py、侧向阻力Xo，截齿的参数与测力传感器的杠杆比b1(b1=L1/L2)有关。由于实验装置的结构特点，在齿座与齿套间的支撑点产生有摩擦力。滚筒的截割阻力、推进阻力、侧向阻力的三向载荷由于方向的特殊性，实验很难测得，因此借助于坐标转换模型可间接获得。实测截齿坐标下的三向载荷与截齿坐标齿尖三向载荷有以下关系:

(1)

(2)

式中：Ff——齿座与齿套间的摩擦力，N；

Rp、Rx——齿座与齿套间的支反力，kN；

f——摩擦因数，取0.1。

(3)

式中：β——截齿的安装角,(°)；

θ——截齿沿滚筒轴线方向的倾斜角, (°)。

由式(1)～(3)可得滚筒坐标三向载荷与截齿坐标三向载荷及其三向载荷测试值的关系矩阵:

(4)

(5)

(6)

3 转换结果与分析

实验获得的截齿坐标下的三向载荷谱及其均值曲线见图3，利用式(6)转化成滚筒坐标下的截割阻力Pz、推进阻力Py、侧向阻力Xo。采用等周期采样方法，对实验载荷谱进行数值化，代入转换模型进行解算，并拟合出滚筒坐标下载荷截齿三向瞬时载荷谱，即将图3的载荷谱转化成Pz、Py、Xo载荷谱，如图5所示。

通过这种转换方法得到了滚筒坐标三向载荷谱与实验载荷谱基本一致的变化趋势，滚筒坐标三向载荷谱的峰值和均值大小依次为截割阻力、侧向阻力、推进阻力。由图3和图5可以看出，两种坐标系下的三向载荷大小有很大的不同，滚筒坐标Pz约是截齿坐标A的1.5倍，滚筒坐标Pz近似等于截齿坐标P，滚筒坐标Py约是截齿坐标A的0.16倍，滚筒坐标Xo的均值约等于滚筒坐标Py的均值。滚筒坐标的侧向阻力是驱动截齿自转的力，其波动频率快、幅值较大，这是造成截齿横向断裂的主要原因。

a 截割阻力谱

b 推进阻力谱

c 侧向阻力谱

4 结 论

(1)多截齿可旋转截割实验台测得镐型截齿的轴向、径向、侧向载荷谱，实验结果显示，镐型截齿所受的三向载荷变化没有规律，具有随机性。三向载荷变化均符合截割时月牙切削厚度的规律。实验镐型截齿径向载荷约是侧向载荷的1.65倍，是轴向载荷的1.03倍。

(2)根据截齿三向载荷的不同定义方向，采用空间坐标转换方法建立实验截齿三向载荷、截齿齿尖上的三向载荷和滚筒坐标下的三向载荷，即截割阻力、推进阻力和侧向阻力矩阵转换模型。

(3)实验测得的是安装角为45°，轴向倾斜角为10°时的镐型截齿三向载荷谱，通过所建立的滚筒三向载荷空间模型，得到滚筒坐标下的截割阻力、推进阻力及侧向阻力的载荷谱，证明转换模型和数值解算方法符合实际。

[1] BILIN N, DEMIRCIN M A，COPER H， et at. Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results[J].International Joural of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2006, 43(1): 193-156.

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[11] 刘春生， 李德根． 不同截割状态下镐型截齿侧向力的实验与理论模型[J]. 煤炭学报， 2016， 41( 9): 2359-2366．

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(编辑 晁晓筠 校对 李德根)

Spatial coordinate transformation model and analysis of tri-axial loads on conical picks

SunYuehua1,LiuChunsheng2,CaoHe1，LiXiaoyu1

(1. School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China；2.Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022， China)

This paper describes an investigation into the quantitative characteristics of the three direction loads occurring in shearer drums and conical picks, based on the three direction load spectrum of shearer cutting experiment. The study using the method of spatial coordinate transformation involves developing a transformation model between experimental load spectrum of concial picks, three direction load spectrum on concial pick coordinate, and cutting resistance, thrust resistance, and lateral resistance; applying the experimental load spectrum to numerical processing; and developing the simulation of the three direction load spectrum of concial picks in cylinder coordinates using the calculating method of the transformation model. The research may provide an easy and practical method for shearer drum load study and calculation.

pick tri-axial loads; special coordinate; transform model; numerical analysis

2016-11-08

国家自然科学基金项目(51274091)

孙月华(1965-)，女，黑龙江省哈尔滨人，教授，研究方向：矿山机械动力学性能与故障诊断，E-mail:1580774753@qq.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.06.016

TD421

2095-7262(2016)06-0665-04

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