李薇

摘 要：本研究對(duì)目前技術(shù)比較成熟的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，在MATLAB中建立數(shù)學(xué)模型，為后續(xù)的動(dòng)力學(xué)研究和仿真分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：懸臂式掘進(jìn)機(jī)；截割頭；運(yùn)動(dòng)分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.204

隨著采煤業(yè)的發(fā)展，掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械化、重型化、高效化是當(dāng)前各國的發(fā)展趨勢(shì)。本研究旨在對(duì)已用于實(shí)際生產(chǎn)中的懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了分析與研究，為后續(xù)的動(dòng)力學(xué)分析和仿真提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并將研究結(jié)果應(yīng)用于自主研發(fā)的新型懸臂式掘進(jìn)機(jī)中。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)原理

按照截割頭的布置方式不同，可以分為縱軸式和橫軸式?？v軸式截割頭與懸臂同軸布置，截割頭的形狀多為為圓錐形或圓柱圓錐形，截割頭運(yùn)動(dòng)軌跡近似于平面擺線，截割出的巷道平整光滑。目前國內(nèi)外懸臂式掘進(jìn)機(jī)大多數(shù)為縱軸式。

縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭的運(yùn)動(dòng)包括回轉(zhuǎn)、縱向進(jìn)給、左右和上下擺動(dòng)，截割頭的進(jìn)給由推進(jìn)液壓缸帶動(dòng)懸臂的升降來實(shí)現(xiàn)的；水平擺動(dòng)是依靠水平回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。

2 截割頭運(yùn)動(dòng)分析

縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭的截割過程可簡單分為縱向鉆進(jìn)和橫向擺動(dòng)兩種工作方式，因此，對(duì)截割頭的運(yùn)動(dòng)分析也分為這兩種截割工況下進(jìn)行研究。

2.1 進(jìn)給工況下的運(yùn)動(dòng)分析

縱向進(jìn)給截割工況下，截割頭繞自身軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也在沿截割臂軸線方向縱向推進(jìn)，因此，截割頭上截齒的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間螺旋線。取半徑為r的某一截齒為例，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示：

在初始位置，即t=0時(shí)，，其位置在處，該點(diǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)時(shí)間t后，截割頭轉(zhuǎn)過，并向前推進(jìn)距離，運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)，則即為該截齒運(yùn)動(dòng)經(jīng)時(shí)間t后的一段螺旋線軌跡，其參數(shù)方程為：

；

；

2.2 橫擺工況下的運(yùn)動(dòng)分析

橫向擺動(dòng)工況下，截割頭繞自身軸旋轉(zhuǎn)的同時(shí)還隨著截割臂橫向擺動(dòng)，因此，截割頭上截齒的運(yùn)動(dòng)軌跡是軸心平行于橫擺平面的擺線。取半徑為r的某一截齒為例，其運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示：

在初始位置，即t=0時(shí)，，其位置在處，該點(diǎn)運(yùn)動(dòng)經(jīng)時(shí)間t后，截割頭轉(zhuǎn)過，同時(shí)截割臂擺過角，運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)，則即為該截齒運(yùn)動(dòng)經(jīng)時(shí)間t后的一段擺線軌跡，其參數(shù)方程為：

；

；

2.3 模型運(yùn)動(dòng)仿真

為研究截割頭的工作過程，首先利用縱向進(jìn)給和橫向擺動(dòng)兩個(gè)不同截割工況下的參數(shù)方程在MATLAB里建立數(shù)學(xué)模型，編寫截割齒運(yùn)動(dòng)程序，獲得某截齒縱向進(jìn)給工況下的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示：

截割頭的運(yùn)動(dòng)不僅影響到機(jī)器的截割性能、生產(chǎn)能力、截割塊率及能耗指標(biāo)等，而且還決定著截齒的磨損、截割頭上所有聯(lián)接件和傳動(dòng)件的載荷穩(wěn)定程度及整機(jī)可靠性，因此，對(duì)截割頭的運(yùn)動(dòng)分析是對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)一步研究和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。