高壓水射流掘進(jìn)機(jī)截割部設(shè)計(jì)及動(dòng)力學(xué)特性研究.pdf

1、掘進(jìn)機(jī)是煤礦機(jī)械化掘進(jìn)的主要設(shè)備，但現(xiàn)有的掘進(jìn)機(jī)單純依靠截齒截割，當(dāng)截割堅(jiān)硬煤巖時(shí)，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(chǎng)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(jī)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(jī)

2、上，以掘進(jìn)機(jī)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(duì)高壓水射流掘進(jìn)機(jī)截割部進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)截割部的動(dòng)力學(xué)特性開展理論、仿真和實(shí)驗(yàn)研究。
　　以設(shè)計(jì)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(jī)截割部的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)截割部的關(guān)鍵部件進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。對(duì)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(shí)，截割頭上可布置8~13個(gè)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(dòng)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(duì)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(jì)算公式。以第二類拉格朗日方程為基礎(chǔ)，對(duì)截割部的升降動(dòng)作、回轉(zhuǎn)動(dòng)作、鉆進(jìn)動(dòng)作、扭轉(zhuǎn)動(dòng)作分別建立動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行理論分析，得到了方程組在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下的響應(yīng)函數(shù)，為進(jìn)一步研究外部

4、隨機(jī)載荷激勵(lì)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(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了動(dòng)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(dòng)力學(xué)仿真，得出了截割頭振動(dòng)主要受外載荷影響，減速器主要受內(nèi)部傳動(dòng)影響，連接架主要受電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)影響的結(jié)論。進(jìn)行有水射流輔助工況下的變載荷動(dòng)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(dòng)情況。
　　進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)密封的泄漏和溫升實(shí)驗(yàn)，得出O型圈壽命為5.7小時(shí)、格來圈和彈簧儲(chǔ)能圈壽命均超過8小

5、時(shí)、穩(wěn)定工作時(shí)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(shí)驗(yàn)，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(qiáng)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(dòng)信號(hào)