高壓水射流掘進(jìn)機截割部設(shè)計及動力學(xué)特性研究.pdf

1、掘進(jìn)機是煤礦機械化掘進(jìn)的主要設(shè)備，但現(xiàn)有的掘進(jìn)機單純依靠截齒截割，當(dāng)截割堅硬煤巖時，截割力不足，且截割過程伴隨有粉塵和火花產(chǎn)生，不利于安全生產(chǎn)。為了解決上述問題，一些學(xué)者提出了高壓水射流輔助截割的想法，研究證明這一技術(shù)能輔助截齒破碎硬巖、減少粉塵、消除火花，具有良好的市場應(yīng)用前景。但目前關(guān)于高壓水射流輔助截割的研究主要集中在單齒與射流的配置方式上，未與具體機械的使用背景緊密結(jié)合，限制了這一技術(shù)的應(yīng)用推廣。本文將高壓水射流技術(shù)應(yīng)用到掘進(jìn)機

2、上，以掘進(jìn)機的使用工況為依據(jù)，以高壓水射流有效輔助截齒截割為核心，對高壓水射流掘進(jìn)機截割部進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，并在設(shè)計的基礎(chǔ)上對截割部的動力學(xué)特性開展理論、仿真和實驗研究。
　　以設(shè)計方法學(xué)和功能思想為基礎(chǔ)，確定了高壓水射流掘進(jìn)機截割部的結(jié)構(gòu)形式，對截割部的關(guān)鍵部件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。對截割頭上噴嘴數(shù)量和位置進(jìn)行了理論研究，研究表明當(dāng)水壓達(dá)到40MPa時，截割頭上可布置8~13個噴嘴，且應(yīng)優(yōu)先布置在截割頭上球面以及球面與錐面的過渡位置。采用

3、多目標(biāo)優(yōu)化方法，以體積最小、傳動效率最高為目標(biāo)，選取Matlab中的fgoalattain函數(shù)求解，優(yōu)化了行星減速器中主要零件的參數(shù)取值。
　　對截割部受載特性進(jìn)行理論研究，引入高壓水射流輔助系數(shù)ks定義了單齒載荷公式，進(jìn)而得到了高壓水射流截割頭的三向力和扭矩計算公式。以第二類拉格朗日方程為基礎(chǔ)，對截割部的升降動作、回轉(zhuǎn)動作、鉆進(jìn)動作、扭轉(zhuǎn)動作分別建立動力學(xué)模型，并進(jìn)行理論分析，得到了方程組在簡諧激勵下的響應(yīng)函數(shù)，為進(jìn)一步研究外部

4、隨機載荷激勵提供了理論基礎(chǔ)。
　　進(jìn)行了空載和恒扭矩工況下的截割部動力學(xué)仿真，驗證了動力學(xué)模型的正確性。進(jìn)行無水射流輔助工況下的變載荷動力學(xué)仿真，得出了截割頭振動主要受外載荷影響，減速器主要受內(nèi)部傳動影響，連接架主要受電機轉(zhuǎn)動影響的結(jié)論。進(jìn)行有水射流輔助工況下的變載荷動力學(xué)仿真，結(jié)果表明水射流輔助能夠較好地改善截割部的振動情況。
　　進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)密封的泄漏和溫升實驗，得出O型圈壽命為5.7小時、格來圈和彈簧儲能圈壽命均超過8小

5、時、穩(wěn)定工作時溫度分別為24℃，23℃和20℃的結(jié)論。進(jìn)行了高壓水射流輔助單齒截割實驗，結(jié)果表明：高壓水射流輔助破巖存在門限壓力，約為巖石抗壓強度的2~3倍；前置式水射流輔助效果優(yōu)于后置式，但后置式水射流破碎截槽效果好；所提出的前后射流聯(lián)合破巖方式輔助截割效果明顯。在實驗基礎(chǔ)上，根據(jù)受力減少率擬合了高壓水射流輔助系數(shù)ks在不同工況下的取值曲線圖。進(jìn)行了高壓水射流輔助截割頭實驗，得到了截割頭在無水射流輔助和有水射流輔助兩種工況下的振動信號