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橫軸式掘進機截割頭設計 摘要 ： 隨著社會的 不斷 發(fā)展 和科技水平的不斷提高 ，人類征服自然 的領域也在不斷擴大 ， 其中比較具有代表性的就是掘進機， 掘進機的出現(xiàn) 具有很重要的實用意義 。 自從掘進機 開始進入人們的生活視線，就 被 廣泛地 應用到鐵路穿山隧道、引水隧道 等各 施工過程 中 能 除了能應用在 隧道施工外， 像 以采掘為目的的煤巷開挖、礦巷開掘中也廣泛采用了掘進機， 這樣工作效率高。以上介紹 使用的就是部分斷面掘進機，而橫軸掘進機是其中的一種。 本次畢業(yè)設計就是為了研究橫軸式掘進截割頭的設計，具體設計內(nèi)容包括： 如：先對掘進機現(xiàn)在在國內(nèi)外的發(fā)展趨勢進行了解，接著對掘進機結構進行學習分析，從而發(fā)現(xiàn)掘進機本身有什么需要改進之處，還有就是掘進機對截割的礦巖都有什么要求等； 自己收集的數(shù)據(jù)進行整理列表，這樣看起來一目了然； 學習制作等。通過簡單的 件學習，將自己想要設計的截割頭畫出來。并通過計算得到基本數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析和結構分析相結合。對掘進機的具體結構用途也要進行了解和掌握，這樣有利于截割頭的整體計算。 掘進機結構的優(yōu)化設計和制造精度對今后的工作性能都會有決定性 的影響因為截割頭是掘進機的核心部位，所以它的研究自然也就成了重中之重。煤炭是人類生產(chǎn)生活的重要能源，隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，煤炭在國民經(jīng)濟中的地位也顯得越來越重要。隨著采煤機械化的發(fā)展，大大提高了工作面的廣度，對開采強度，工作面的推進速度要求也越來越快，這就要求加快掘進速度，提高工作效率以適應人們對工具的需求。切割頭是掘進機的工作機構，它的主要功能就是破碎巖石或者分離煤層。經(jīng)過對煤巖切割過程的研究了解，認識到影響切割效果的因素很多，因而掘進機截割頭的設計變的復雜許多。為提高工作效率，加快生產(chǎn) 力，滿足人們對機械化的高要求，截割頭的設計成了重中之重。如果在截割頭的每一轉(zhuǎn)中，參加切割的各個截齒都能同時從巖石中切下等體積的煤巖，也就是每個鎬齒的受力相等，磨損程度也相同，機械運動也比較平穩(wěn)，只有滿足這些要求，才可以達到自己當初設計的初衷。 關鍵詞 ： 橫軸；掘進機；截割頭；截割頭參數(shù)；截齒 of of of of of to is to s of it to of of in to in of is so is of is of is to of as:to at of is to be is to is 2 it AD to to of of to is to is of a is of to in so it a is of of of of in is of of is it is to to to of of is to or to of ut to of is in of in of is is to 錄 摘要 ........................................................................................................................................... ................................................................................................................................... Ⅱ 目錄 .......................................................................................................................................... 一章 緒論 ............................................................................................................................ 2 言 ..................................................................................................................................... 2 進機分類 ......................................................................................................................... 4 內(nèi)外橫軸式掘進截割機的發(fā)展狀況 ............................................................................. 6 第二章 截割頭參數(shù) 經(jīng)驗 的確定 ............................................................................................ 9 割頭的形式及尺寸參數(shù) ................................................................................................. 9 向截割頭的外形 .......................................................................................................... 9 割頭最大直徑 .............................................................................................................. 9 齒的形式及尺寸參數(shù) ................................................................................................... 10 齒的形式 .................................................................................................................... 10 形齒的結構 ................................................................................................................ 10 頭結構 ......................................................................................................................... 11 齒的空間排布 ............................................................................................................... 12 升角空間螺旋線 ........................................................................................................ 12 列參數(shù)的確定 ............................................................................................................ 14 旋升角 ..................................................................................................................... 15 旋線頭數(shù) ................................................................................................................. 15 齒的空間 ....................................................................................................................... 15 削功能描述法 ............................................................................................................ 16 削角δ ..................................................................................................................... 16 轉(zhuǎn)角ε ..................................................................................................................... 17 轉(zhuǎn)角 ......................................................................................................................... 18 第三章 截齒及截割頭的運動及力學分析 .......................................................................... 19 1 割頭的運動 ................................................................................................................... 19 齒的運動分析 ............................................................................................................... 19 齒的受力分析 ............................................................................................................... 19 割頭的整體受力 ........................................................................................................... 20 第 四 章 礦巖的相關特性及截割機理 .................................................................................. 22 巖的相關特性 ............................................................................................................. 22 松效應 ........................................................................................................................ 23 割阻抗 ........................................................................................................................ 24 落角 ............................................................................................................................ 24 割機理 ........................................................................................................................... 25 巖的截割破碎機理 .................................................................................................... 26 割力分析 .................................................................................................................... 27 的截割技術 ................................................................................................................... 28 動截割 ........................................................................................................................ 28 壓細射流助切技術 .................................................................................................... 29 總結與展望 .............................................................................................................................. 29 參 考 文 獻 .................................................................................................................................. 31 致謝 .......................................................................................................................................... 31 2 第一章 緒論 言 隨著社會 科技水平 的 高速 發(fā)展，人類征服自然的能力 也在日益 提高，掘進 機 就 是 其中的 一個重要表現(xiàn)。 現(xiàn)如今許多國家都非常重視掘進機的截割基礎理論的研究，尤其是在橫軸掘進機方面。按照軸向的不同可將掘進機分為兩類：縱軸式掘進機和橫軸式掘進機。就國外而言， 第一臺典型的掘進機是由匈牙利 人在 1949 年制造的 ， 并 在 1870 年，在英吉利海峽 對掘進機 進行了 實體工作操作 。 就國內(nèi)而言，我國研究員最開始是以前蘇聯(lián)的產(chǎn)品作為模板。但后來因為掘進機機身輕，功率比較小，性能相對而言也比較差，因而也就沒有被廣泛的使用。一直到 70 年代 的時候 ， 掘進機才被運用到實體工程當中。 到了 80年代，中外進行合作進行研制 兩種機型到目前為止已成為國內(nèi)市場的主要產(chǎn)品。如今，國內(nèi)掘進機的研制的步伐也在逐步加快， 另外， 除了功能隧道的施工外，以采掘為目的 進行 的煤巷開挖、礦巷開掘中也采用了掘進機， 其中經(jīng)常 使用的就是部分斷面掘進機，橫軸掘進機 就 是其中的一種。 隨著科技的不斷發(fā)展，掘進機擁有的功能也在不斷豐富過程當中，裝載，轉(zhuǎn)載，自己行走，而且還具有噴霧降塵的功能，有的還有支護功能。按照掘進機的外形特征， 掘進機 大致可以 分為 兩種，一種是 開 還是 敞式掘進機 ， 一種是 護盾式掘進機 ， 它們的價格一般都會在億元人民幣左右，價格還是比較昂貴的。掘進機 主要 包括 行走機構， 工作機構 ， 運載機構，電氣系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)，噴霧降塵機構等 。 截割過程是指 行走機構 不斷 向前推進， 切割頭對巖石進行切割破碎并經(jīng)過裝運機構將剝落的巖石碎塊運走 。 掘進機有許多優(yōu)點，比如 安全高效 ，工作質(zhì)量也高 ， 但同時也存在一些缺點，比如 造價大，構造 比較 復雜，損耗也較大。 掘進機的機構設計和制造精度，對掘進機今后的使用性能都具有決定性作用。如圖 1所示。 3 圖 1 縱軸掘進機工作過程 如圖 2所示截割頭上的截齒，圖 3所示掘進機的截割頭部件。 圖 2 截割頭上的鎬齒 本文首先對國內(nèi)外掘進機市場的發(fā)展狀況做了一定的了解并對搜集到的信息做了總結 ， 掌握并 介紹 礦 巖截割的 一些 相關 基礎 知識 理論 ,并 通 過互聯(lián)網(wǎng)對截割裝置的具體參數(shù)進行列表。其中包括截齒的截割參數(shù)，截齒的空間運動參數(shù)，截割頭的整體受力情況，切割深度，截割功率等分別進行計算。 橫軸掘進機 按照截割方式分為三種 :縱向進給掏槽截割、垂直擺動掃描截割、 水平擺動掃描截割 等 。相應地 截齒運動方式有三種，包括 平面擺線運動、圓弧擺線運動 和 圓弧螺旋線運動。 4 圖 3 掘進機截割頭 進機分類 軟土盾構掘進機：（適用開挖軟土） 硬巖掘進機：（適用于硬礦巖地質(zhì)） 全斷面掘進機 （ 按截割方式不同 擴孔式結構 搖臂式結構 按照保護形式不同 開放式結構 單護盾結構 雙護盾結構 三護盾結構 部分斷面掘進 橫軸式掘進機 5 機（自由斷面掘進機） 縱軸式掘進機 圖 4 部分斷面掘進機的結構 圖 5 縱軸掘進機 橫軸掘進機有兩個截割頭， 并且兩個截割頭是對稱的， 截割頭 的 主軸與截割臂垂直 ，如圖 6 所示橫軸掘進 機 。 部分斷面掘進機中包括橫軸式掘進機，它的工作臂很靈活而且還屬于單點切割，因為掘進機的截割運動不是集中在一個點，所以對于礦巖的范圍可以擴展到硬度比較高的區(qū)域 。橫軸式掘進機主要機構有：截割頭，截割臂，裝渣鏟板，扒渣蟹爪， 6 回轉(zhuǎn)臺，駕駛室，中間運輸裝置，轉(zhuǎn)運裝置，行走裝置，液壓系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)，噴霧系統(tǒng)等。 圖 6 橫軸掘進機 圖 7 橫軸掘進機和截割頭 內(nèi)外橫軸式掘進截割機的發(fā)展狀況 隨著社會的不斷進步和科技的不斷發(fā)展，世界各國工業(yè)化水平得到了不斷的發(fā)展，技術水平也不斷提 高，使掘進機的發(fā)展具有更加廣闊的發(fā)展前景也逐漸成為必然。近些年我國掘進機發(fā)展也進入了高速發(fā)展模式，總體的研究制造水平也在不斷逼近國外同行。就目 7 前而言，因為科學技術的水平的提高使得掘進技術發(fā)生了質(zhì)的變化，國內(nèi)掘進機的發(fā)展在逐漸順應國內(nèi)市場對掘進機要求大功率，高效率，高自動化的需求。當然，因為掘進設備的一些自我局限，到目前為止仍以懸臂式掘進機為主。在我國除了煤礦巷道掘進以外，近些年掘進機已逐漸進入鐵路工程，城市地鐵隧道的掘進以及公路修建等各行各業(yè)。如今通過了解自己對掘進機的發(fā)展趨勢進行了簡單總結，具體的內(nèi)容有以 下幾點，隨著高產(chǎn)高效的礦井建設和其他大型工程建設的需要，掘進機的截割功率也逐漸增加，從最初的 30高到如今的 350進機重量也從 13 噸上升到 100噸，截割對象從過去比較單一的煤礦開采擴展到半煤巖，并逐步開始形成了煤及半煤巖掘進兩大系列，一共有十多個產(chǎn)品。另外隨著人們環(huán)保意識的提升和國家對環(huán)保的大力倡導，加上勞動力成本的逐年提高，機械智能化掘進將成為一種必然的發(fā)展趨勢，未來市場發(fā)展前景將會非?？捎^。為此煤炭行業(yè)也受益得到了快速發(fā)展，與之相應的煤機行業(yè)也越來越受到重視。煤礦巷道的快速掘進是保證煤礦工作 效率高效穩(wěn)定的關鍵措施，因此掘進機的運用和發(fā)展關系到煤礦的生產(chǎn)能力和安全。 要想讓機械工業(yè)有飛速的發(fā)展就必須將現(xiàn)在的先進科學技術和實踐經(jīng)驗相結合 。隨著工業(yè)技術水平的快速發(fā)展和提高，通過對懸臂式掘進機技術開發(fā)方面經(jīng)驗的積累，國外的掘進機各生產(chǎn)商開始朝著綜合性能更高更優(yōu)的方向邁進，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：在不影響優(yōu)良性能的前提下，可以發(fā)展機身較低的機型，這樣對于工作空間的需求減少了，運用面也有了擴大。在保證工作穩(wěn)定性的基礎上，也可以適用比較低矮的巷道掘進。還有就是加強機器自身故障檢測能力和對工況檢測能力，減少了 修理時間和修理的困難系數(shù)，同時也使掘進機自動控制系統(tǒng)更加智能完善。煤炭系統(tǒng)巷道掘進的主要發(fā)展方向就是提高機械化水平，各工作業(yè)環(huán)節(jié)都采用高效的機械設備，以換下淘汰低效設備和手工業(yè)。近些年為適應時代發(fā)展的需要，平巷掘進所需的機械設別不僅越來越多，而且效能也有相應的提高。 就目前為止，我國雖然在掘進機的發(fā)展方面取得了一系列的成就，但就我國掘進機的發(fā)展中還存在一些問題需要在今后設計制造成去解決。 8 1) 提高掘進機的裝機功率，使掘進機的效率達到最高和適應性最大。 2) 解決機器的調(diào)向和糾偏等一系列的控制問題。 3) 設計新型結 構的交叉軸承，提高掘進機軸承的可靠性和使用壽命。 4) 質(zhì)量盡可能輕、結構變緊湊、效率更高是對傳動機構的高要求。 5) 應用新的控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)，以保證機器工作的精準度、安全性和可靠性。 6) 在對掘進機進行創(chuàng)新研究時要聯(lián)想到實體的一些要求，比如拆卸方便簡單，工作靈活等。 7) 能適應各種復雜的地質(zhì)條件，考慮配備液壓掩護支撐板，錨桿鉆孔和超前鉆孔等設備，以保證安全作業(yè)和防止機組下沉。 8) 機組用于井下，應考慮電器防爆，盡量不采用氣割，電焊等措施。 9) 進一步改進濕式集塵器，解決除塵、集塵以及刀具的合理冷卻等問題。 10) 研究新的轉(zhuǎn)載出碴和后配套運輸設備，保證排碴輸送工作的高效。總之，要加大掘進機結構設備的研究和探索，進行大量實驗和測試工作，提高巖巷掘進的機械化水平，在破巖理論和截割阻力計算方面，以及采用滾壓式，沖擊式的工作原理，液壓、電氣元件的研制工作方面能夠有大的突破和改善，為設計制造出適合我國巖巷情況的巷道掘進機而作積極準備。 9 第二章 截割頭參數(shù) 經(jīng)驗 的確定 割頭的形式及尺寸參數(shù) 向截割頭的外形 截割頭的形狀是截割頭繞自身主軸 旋轉(zhuǎn) 時，截齒齒尖 旋轉(zhuǎn)一圈 所形成的外輪廓 ，也 叫截割頭包絡面，截割頭繞軸線旋轉(zhuǎn)時，各個截齒齒尖與過軸線平面都 會 有一個交點， 將 這些交點 連接起來 就 能 得到齒尖包絡曲線。 以 包絡曲線繞截割頭軸線旋轉(zhuǎn)就 可以 得到截割頭空間包絡面。齒尖包絡曲線 通常是由好幾段不同曲線構成 。相 對 應包絡面的 展現(xiàn) 形式也 有多種 ， 例如 有“圓柱＋球冠”式、“圓錐＋球冠”式、“圓柱＋圓錐＋球冠”式、“拋面＋拋面＋球冠”式等。其中，橫軸式截割頭經(jīng)常采用的形式 就是 “拋面＋拋面＋球冠”式 。如圖 8。 圖 8 “拋面＋拋面＋球冠”式包絡面的包絡線 是 由兩段拋物線 和 一段圓弧組成，由于橫向擺動鉆進截割 是 橫軸截割頭的主要截割方式， 所以 為了有利于鉆進截割，截頭上的截齒 要分布在各個直徑上，圖 8中拋物線 2 是主要截割區(qū)域，拋物線在截割頭的末端采用圓弧段3 進行過渡。在橫向擺動截割狀態(tài)下，截割頭根部 通常 只布置幾個截齒， 因為 當一個截割頭處于鉆進狀態(tài)時，另一個截割頭處于反向狀態(tài)，基本不參予截割， 而 形成很短的一段拋物線，用于修整工作面 。 另外，這段拋物線上的截齒會在縱向鉆進截割和上下擺動截割時發(fā)揮 重要意義的 截割作用。 割頭最大直徑 10 截割頭 的 最大直徑 由四個因素決定： 礦巖的壓松效應、截齒 工作 速度、截割力 和 生產(chǎn)率。其中， 除掘進機的生產(chǎn)效率要求截割頭的直徑要盡量大以外， 礦巖的壓松效應、截齒的截割速度、截齒的截割力限制截割頭的直徑不 都 能過大， 所以 截割頭最大直徑的確定是一個域內(nèi)求優(yōu)的過程。 齒的形式及尺寸參數(shù) 截割頭 上的截齒是 直接作用于礦巖的結構， 因此 截齒需要具有一定的強度， 硬度， 使截割頭 能夠順利的破碎礦巖 。 由于生產(chǎn)中的破壞形式以 主要以 磨損破壞 為主 ， 所以 截齒 要具有一定的耐磨損能力 。 在 截割 工作過程中，截齒與礦巖的相互作用 會 產(chǎn)生相當 高 的熱量，使截齒 自身 的溫度升高，因此截齒還應具有一定的 耐高溫性 ，使截齒在高溫下 仍然 能夠保持其 高效的 機械性能進行順利截割。 齒的形式 現(xiàn)在掘進機的采掘行業(yè)里，一般使用的刀形齒和鎬形齒結構比較多 ，如圖 9 所示 a 為刀形齒， b 為鎬形齒 。鎬形齒 比 刀形齒 通常會具有以下幾點優(yōu)勢 ： 首先在 截割礦巖時，鎬形齒 是 采取點接觸方式與礦巖發(fā)生作用，利用點擊和劈尖作用破碎礦巖， 所以 可適合截割較硬礦巖； 其次鎬型齒 可以設定扭轉(zhuǎn)角， 讓 截齒利用與工作面的摩擦力在齒座內(nèi)旋轉(zhuǎn)， 這樣 截齒的磨 損比較均勻， 還可以 產(chǎn)生自礪， 有益于 延長截齒的使用壽命；截割阻力 的 方向盡可能地 接近截齒的軸線方向 會使 截齒承受的彎矩 減 ??；截齒在齒座上的安裝 和 固定方式比較 簡單可靠； 最后是 截齒結構簡單， 有利于 加工。 但除去這些優(yōu)點以外，也會存在一定的缺陷，比如 鎬形齒相對于刀形齒而言具有粉塵量大，塊礦石率低的缺點 。 盡管如此， 由于掘進機主要 是 用于開辟巷道，絕大多數(shù)都采用鎬形齒。 圖 10 所示為鎬形齒實圖。 形齒的結構 如圖所示， 鎬形齒 是 由兩部分組成，刀桿與合金刀頭，兩者 都是 回轉(zhuǎn)體。合金刀頭參與截割， 會 與礦巖發(fā)生 直接 作用， 因此 需要有足夠的 強度， 硬度 和 耐磨性；刀桿用 來 支撐合金刀頭與齒座連接，通過焊接 將兩者連接起來 。 11 圖 9 截齒形式 圖 10 鎬形齒 頭結構 合金刀頭是用來和礦巖直接接觸完成截割運動的，對于鎬齒，錐角和直徑對合金刀頭的工作性能和形狀都會有決定性影響 。合金頭的錐角不 但 影響截割阻力 ， 而且 還關系到合金頭的強度 ， 在 通常情況下， 截齒的截割阻力 還有 自身強度都 和 錐角 的大小成正比 。 如果錐角增大，截齒強度 會 提高，但截割效率 就會 降低， 而且截割礦巖的硬度面也會擴展到 截割較硬 的 礦巖； 相反，如果 錐角減小，截齒強度 會 下降， 所以刀頭比較 容易 磨損， 但截割效率 會有所 提高，因此錐角 的大小得 根據(jù)截割礦巖具體 的 物理機械性能來 決定 。一般對于比 較軟 的 礦巖，錐角 可 取 70°～ 85°， 但 對于普氏硬度系數(shù) f > 6的礦巖，錐角 在 90°～102° 之間 。 除以上談到的內(nèi)容之外， 為了防止在截割硬礦巖時刀桿與礦巖接觸產(chǎn)生摩擦，錐角要能夠包容刀桿，為達到這點 要求 ，在增 大錐角的同時，人們對合金頭的形式 也 進行了研究，形狀變化 由最初的圖 11（ a）結構演化到圖 11（ c）結構。 12 圖 11 刀頭的結構 合金頭的直徑 會影響到 截割阻力，根據(jù)試驗 數(shù)據(jù) 可以用經(jīng)驗公式表示合金頭直徑 d 對截割阻力的影響： K = d ? d + 著 合金頭直徑的增加 ， 使密實核體積增大 和 礦粉量加 大 ，但如果合金頭直徑 過小 ，截齒強度 也會有所 下降，會使其 可靠性與使 用壽命 同時受到影響 ， 為適應 掘進機截割礦巖硬度的不斷提高，合金頭直徑 逐漸變大 ?？梢愿鶕?jù)截割 礦巖 硬度 確定截齒直徑， 從表 1 中選取。 表 1 刀頭直徑的選取 礦巖分類 煤及軟巖 中硬巖 硬巖 普氏硬度 f ≤ 4 4 割機理 根據(jù)礦巖的物理機械特性 可以了解到 ，礦巖的抗壓強度最大，抗剪強度次之，抗拉強度最小， 所以 在掘進機設計過程 當 中， 要 利用礦巖抗剪強度 和 抗拉強度較小的特性，特別是要盡量利用抗拉強度最小的特點進行礦巖的截割與破碎， 這樣 不僅可以降低截割比能耗，提高工作效率 ，而且可以減輕截齒的磨 損，延長掘進機的 工作 壽命。 26 巖的截割破碎機理 在截割礦巖的過程中 ， 截齒通過機械的外力作用，作用在礦巖的表面，使破碎的礦巖快與礦巖進行分離的過程，因為礦巖自身質(zhì)地并不均勻而且脆性也比較大，所以在切割過程中會出現(xiàn)躍進性，這個過程一般分為四個階段， 如圖 18所示。 圖 18 截齒與礦巖的作用過程 第一階段，變形階段。如圖 18（ a）， 在這 階段，截齒與礦巖體的作用力 逐漸增大 ，但是并 沒有超過礦巖的彈性應力 的 極限，礦巖 會 產(chǎn)生局部彈性變形 。 如果鎬齒尖形成一定體積的球體，那么根據(jù)赫茲理論就可以認定在接觸點的應力表現(xiàn)為零，離開接觸點一定距離，應力就會達到峰值，如果距離再接著拉大，那么接觸點應力又會逐漸減小。通常最大的拉應力都在接觸面附近的一些點上表現(xiàn)出來。 第二階段，裂紋發(fā)生階段。如圖 18（ b），隨著截齒的挺進，截齒與礦巖體作用力不斷增加，當拉應力超過礦巖的抗拉強度極限時，接觸點附近礦巖被拉開，產(chǎn)生赫茲裂紋；當剪應力超過礦巖的抗剪強度極限時，接觸點附近礦巖被錯開，產(chǎn)生剪切裂紋源。 第三階段，密實核產(chǎn)生階段。如圖 18（ c）， 隨著 剪切裂紋的不斷擴散，會在自由面與赫茲裂紋進行相交 。 再礦巖內(nèi)部已經(jīng)被截割破碎的碎巖會在截齒的不斷向前運動中逐漸 27 形成密實核，因為碎巖不斷在向同一個位置進行擠壓，所以密實核也在不斷向包圍自己的礦巖進行施壓。如果當中 一部分巖粉 會 以很大的速度從截齒前刃面噴出，密實核體積 將會有所減小。 第四階段，巖塊崩落階段。如圖 18（ d），隨著接觸的繼續(xù)前移， 隨著 相互作用力 的進一步增加，更多的巖粉形成密實核，密實核不斷長大，聚集的能量也不斷增加 ， 并 對其包圍的巖體的壓力也不斷增加。當壓力超過一定值時，包圍巖體發(fā)生塊體崩落，截 齒突然切進，載荷瞬時下降，完成一次躍進式截割循環(huán)。 可見，這個截割循環(huán)是礦巖體彈性變形、微裂紋形成、密實核形成、密實核變小再長大、密實核爆發(fā)的過程，密實核的形成與發(fā)育不僅消耗了大量的能量，而且產(chǎn)生大量的礦巖粉塵，這就是密實核截割力理論。 割力分析 截齒在工作中表現(xiàn)為不斷的循環(huán)過程，截割阻力也表現(xiàn)為波動形式。 如圖 17，曲線礦巖彈性變形 (圖 19 中 a 段 )，出現(xiàn)微裂紋 (圖 19 中 b 段 )，密實核形成 (圖 19 中 c 段 )，密實核變小 (圖 19 中 d 段 )，密實核再長大 (圖 19 中 e 段 )，密實核爆 發(fā) (圖 19 中 f 段 )、截齒突然接近的過程。 圖 19 單個截齒截割礦巖時的受力情況 據(jù)資料，當截齒處于中等磨鈍狀態(tài)時，截割礦巖一個循環(huán)中能量的分布如 表 4。 表 4 截割循環(huán)中的能量分布 壓碎作用及密實核形成 50％－ 78％ 截齒與礦巖的摩擦及碾碎作用 20％－ 46％ 28 微裂紋形成及塊巖崩落 ≤ 1％ 礦巖與機械結構的彈性變形 ≤ 3％ 通過對表中的分析可以得到，不論是截割還是破碎都會消耗很大部 分的能量，在截割過程中有脈動性的表現(xiàn)是因為鎬齒和礦巖的質(zhì)地和受力分布不均勻造成的，綜合考慮，如果還按原來的經(jīng)典力學對鎬齒受力進行分析的話會有很大的難度系數(shù)，所以如果通過實驗描述對鎬齒的受力進行分析的話，不僅對掘進機的應用具有指導意義，而且結論精度也會大大提高。 的截割技術 發(fā)展到今天，懸臂掘進機已成為一種成熟的礦巖掘進設備，但 現(xiàn)在 掘進礦巖的硬度仍然 不能滿足日益擴大的使用范圍的要求。為提高掘進機的切割硬度， 國內(nèi)外 都在嘗試各種新的截割方法。掘進機除 了 向大噸位、高速度、大功率、重型化發(fā)展外，一些 國家將振動截割及高壓細流助切技術引進了掘進機行業(yè)。 動截割 振動截割 ： 在截割頭的正常截割過程中 ， 利用慣性沖擊振動器 ， 讓鎬齒產(chǎn)生一定小周期的振動來增加順時覺得截割力，這樣會有更好的截割效果 。 掘進機通過偏心塊兒的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生振動對截割頭提供沖擊力起到振動破碎的目的。所以，不論是對截割頭的沖擊力的研究，對合理確定振動式掘進機截割頭偏心機構的參數(shù)，還是設計合理的振動機構等，對偏心機構的研究都有重要的意義。 根據(jù)查詢的資料得知 ，振動截割技術在二十世紀五十年代就 已經(jīng)被 前蘇聯(lián)引進采掘行業(yè)， 并 制 造 了振動沖擊挖掘 機，試驗結果 表面所研制的振動沖擊挖掘機 具有 比能耗低、生產(chǎn)率高 的優(yōu)勢 。中國礦業(yè)大學 從 1987 年也開始 對 沖擊破巖研究。遼寧工程技術大學也開展了 對 振動截割技術的研究。國內(nèi)外 對于振動截割技術 的研究及大量試驗表 明 ：采用振動截割， 可以使 巖石破碎時間 縮短 ， 使得 截割力下降，截割硬度 有大的 提高，截割比能耗降低，生產(chǎn)率提高。另外，振動截割同靜力破碎、切削破碎的破碎機理及破碎過程同屬于脆性破碎， 也就是說指 彈性變形、微裂紋 的 產(chǎn)生、密實核形成、密實核發(fā)育、密實核爆發(fā) 等 幾個過程的不斷循環(huán)過程 。 截割載荷同樣遵循躍進規(guī)律及波動式變化。 從 實驗數(shù)據(jù)得知，因為沖擊力的產(chǎn)生時間短，變化大，加上沖擊力對巖石產(chǎn)生的應力波，應力波傳到自然面的反 29 射波比較復雜，通過礦巖體內(nèi)產(chǎn)生的拉伸波和反拉伸波的疊加，最終產(chǎn)生巨大的拉應力讓礦巖破碎，所以通常情況下沖擊波的比能耗比截割破碎的比能耗要低好多。 壓細射流助切技術 高壓水射流技術是最近幾十年來興起的一門新技術。隨著科學技術水平的高速發(fā)展，高壓水射流技術越來越受到人們的重視，并廣泛地應用在煤炭，石油，化工，冶金，船舶，建筑等各部門。不僅如此，高壓水射流技術也經(jīng)常被用以清洗，除垢，切割，破巖等，用來提高 工作效率，降低成本提高利潤，減輕勞動強度，改善工作環(huán)境等。 高壓細射流助切是利用高壓細射流的撞擊、侵蝕、高壓楔 等 作用，作用 在 礦巖 面 以便 達到提高掘進機破巖能力的目的。在美國 ， 高壓細射流助切技術于 20 世紀 70 年代應用到懸臂掘進機上，作為輔助截割。 因 制造高壓水 困難系數(shù)比較大 ，特別是 在 200，水壓設備 研制非常 困難、耗資還大 ， 因種種困難 限制了該項技術的 研究 發(fā)展。目前掘進機截割頭上的高壓水射流措施 通常情況下， 多用來進行粉塵的處理、降低刀具溫度、減輕刀具磨損及預防截割火花的形成， 而 在助切方面效果 并 不 十分 明顯 。但高壓細射流技術確實是人們在提高截割頭截割能力方面的一項 偉大 嘗試， 從 80年代到現(xiàn)在為止，已經(jīng)開始系統(tǒng)研究磨料射流，空化射流，脈沖射流，旋轉(zhuǎn)射流等新型射流的清洗，切割，水力破巖工藝技術和基礎理論，并出現(xiàn)了氣水射流等。 30 總結與展望 隨著工業(yè)技術的不斷發(fā)展，人們對于機械化水平的要求也在不斷提高。對于本次研究的設計對象 "橫軸式掘進機截割頭設計 "，對提升工作效率有著重要的意義。 通過各種渠道對掘進機截割頭的文獻資料進行了大量的收集，通過了解，得知掘進機目前在國內(nèi)外 的發(fā)展狀況，面臨的一些設計問題以及提高工作效率的具體解決方法同時，也對礦巖的各自特性進行了簡單的學習和了解。關于截割頭的具體設計過程，首先是在原有的基礎上確定掘進機截割頭的大體尺寸，然后對截割頭的各空間角度通過計算獲得。 最后對所有的設計計算進行整理，通過 模將鎬齒和截割頭的零件圖畫出來，因為橫軸掘進機的截割頭有兩個，是對稱圖形，所以我只畫了其中的一半，還有就是截割頭上的鎬齒應該有很多，但自己只畫了幾個作為代表，接下來就是將各尺寸標注一下。以上就是本次設計的所有內(nèi)容，很感謝董磊老師在我的設計過 程中給足的幫助，也希望各位老師能本次設計的缺點和不足，讓自己有機會進行學習和完善。 31 參 考 文 獻 [1] 隆泗，母洪都 J]2001,3： 1[2] 陳同寶，錢沛云，陶崢 J]2000,5: 58 [3] 于蘭英，唐元寧 J]1996,4:31[4] 葉定海，茅承覺，張照煌 全面斷面巖石掘進機講座之五建筑機械， [J]:42[5] in 1990. 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