CN102967476A - 多截齿参数可调式旋转截割煤岩实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采掘机械类旋转截割煤岩的三向力和截割扭矩的实验装置，属于机械测试技术领域。本发明主要包括液压系统、电控箱、横纵向进给机构、转速转矩仪、联轴器、截割电机、截割机构、滑环、底座、减速器、测力装置、模拟煤壁等部分。调整万能角度齿座内截齿空间角度和截割臂几何参数至测试要求后，截割电动机经减速器、转速转矩仪驱动截割臂旋转，采用变频调速方法改变截割臂转速，由变量泵控制液压缸实现截割台架进给运动。被测信号经传感器、无线或多路滑环传输到计算机，进行记录存储，实现采掘机械煤岩截割时的三向力和截割扭矩的测试。本发明有效地解决了多截齿旋转截割、截割几何参数和运动参数难调整以及信号不易采集等难题。

Description

多截齿参数可调式旋转截割煤岩实验装置

技术领域

本发明专利涉及一种煤岩截割实验装置，特别是涉及采掘机械类旋转截割煤岩的三向力和截割扭矩的实验装置，属于机械测试技术领域，采用计算机检测和数据处理，具有截割参数可调整、多截齿旋转截割的实验功能。

背景技术

我国是贫油富煤，且以煤为绝对第一能源的国家，煤炭产量占全世界总产量的近50%，采掘机械是煤炭生产的核心装备之一，在保障煤矿安全高效生产，实现集约化开采起着关键的作用，而采掘机械的工作机构——螺旋滚筒是直接与煤岩相互作用的部分，其性能的优劣是影响采掘机械工作效能重要因素之一，而螺旋滚筒的运动参数、结构参数、滚筒上截齿布置安装参数以及煤层煤质条件决定着滚筒工作性能。因此，截齿的截割实验研究至关重要，不但可直接获得给定条件下滚筒截割负载、进行性能预测，而且可以在理论上利用截齿截割负载的实验结果，建立实验与理论综合性的力学模型和混沌动力学模型，从而可以进一步研究煤岩破碎机理与条件、工作性能指标评价方法，为截割状态和装煤机理的模拟仿真奠定基础，为进行个性化螺旋滚筒设计，保障螺旋滚筒具有高强度寿命（耐磨性）、低能耗奠定基础。目前，截齿的截割实验装置大都是单截齿、直线截割，且参数不可调或有限调整，不能真实反映实际截割工况，测得的数据与实际偏差较大。

发明内容

本专利提供一个更加真实地反映采掘机械截割工况，准确测量出采掘机械螺旋滚筒及截齿在不同参数、煤质条件下的截割阻力矩和截齿三向力。本实验装置采用转速转矩仪直接来检测截齿截割阻力矩，采用压电陶瓷力传感器或电阻应变片测量截齿三向力，通过无线或多路滑环检测数据传送，并由计算机进行数据处理，给出截割阻力矩和三向阻力变化曲线。由电动机经减速器、转速转矩仪驱动截割臂（安装有截齿）旋转，采用驱动电动机变频调速方法调节截割臂转速，再由变量泵控制液压缸实现截割台架进给运动，切入煤壁的进给速度人为设定，速度传感器反馈，自动调速或手动调速，实现多齿旋转煤岩截割的三向截割阻力的测试。多个万能角度齿座及截齿安装在截割臂上，通过调整万能齿座各方向上的内外花键套应用差齿原理实现调整截齿的空间角度（如切向安装角、轴向倾斜角）。通过截割臂上的内外花键套及截割轴上轴套调整截齿周向齿间夹角。在截割臂上采用双列柱销定位结构调整截割臂伸缩长度。在假煤壁的上方采用多个联动的液压缸，实现煤层顶板的矿压模拟，模拟出更接近实际的截割工况。

多截齿截割参数可调式的煤岩截割实验装置基本组成见附图1，包括液压泵站和电控箱1、进给机构（纵向进给机构2和横向进给机构6）、转速转矩仪3、联轴器4、截割电机5、截割轴8、截割机构（截割臂11和万能角度齿座12等）、滑环7、底座9、减速器10、测力装置13、模拟煤壁14以及液压缸15等主要部分。

进给机构分为上下两层，下层为纵向进给机构2，沿底座导轨实现截深方向进给，上层为横向进给机构6，沿横向进给导轨做牵引方向进给，两者由液压泵站1控制，并实现进给速度调控。截割电动机5经联轴器4与减速器10与输入轴相连，转速转矩仪3左右两端经联轴器4分别与减速器10输出轴和截割轴8相连，截割轴安装有3个长度可调的截割臂11，而万能角度齿座12安装在截割臂9上，三个方向测力传感器安装在万能角度齿座12的过渡齿座后面（详见附图3），检测的截齿截割力（压力）变化信号经截割轴8上的多通道过孔式滑环传出，经信号转换器传输给计算机，计算机对相关数据进行分析处理。

截割机构见附图2，主要由截割臂（包括伸缩臂16和固定臂17）、配重18和万能角度齿座19组成。固定臂轴孔为花键形式，内装内外花键套，用来调整截齿间圆周方向的距离（即调整滚筒上叶片的螺旋角），截割臂间的轴向距离通过改变截割轴上的调整套调整（即实现调整截齿的截线距）。固定臂17上有多排销孔，用来调整伸缩臂16的伸出长度，并用销轴固定，以达到不同滚筒直径的截割要求。

万能角度齿座结构见附图3，截齿23经齿套22装入过渡齿座内，3个方向的压力传感器安装在测力装置20内，用来检测齿套22上传递来的三向力。花键轴24经内外花键套26与调整齿座27相连，调整垫25可调整过渡齿座的高度，通过调整花键轴24和内外花键套26的相对位置，调整截齿的二次旋转角度，调好后由锁紧套28锁紧。花键轴29经内外花键套31与调整齿座30相连，用来调整截齿的安装角，调好后由锁紧套32锁紧，从而实现截齿各向角度的调整。

压电陶瓷传感器的测力装置见附图4，截齿23安装在齿套22上，齿套22尾部为方形，与压电陶瓷力传感器33、34和35接触，采集截齿的三向力。电阻应变片传感器的测力装置见附图5，截齿23安装在齿套22上，齿套22尾部铣出平面用于粘贴电阻应变片。电阻应变片36、37和39分别组成桥是电路，用来检测阻值的变化，从而采集截齿的三向力。螺杆38用来支撑齿套尾部，调整其伸出长度，形成齿套尾部支点。

附图说明

图1是多截齿截割参数可调式的煤岩截割实验装置基本组成图；图2是截割机构三维实体图；图3是万能角度齿座三维结构图；图4是采用压电陶瓷传感器的测力装置结构图；图5是采用电阻应变片传感器的测力装置结构图。

图中1是液压泵站和电控箱；2是纵向进给机构；3是转速转矩仪；4是联轴器；5是截割电机；6是横向进给机构；7是滑环；8是截割轴；9是底座；10是减速器；11是截割臂11；12是万能角度齿座； 13是测力装置；14是模拟煤壁；15是液压缸15；16是伸缩臂；17是固定臂；18是配重；19是万能角度齿座；20是测力装置；21是过渡齿座；22是齿套22；23是截齿；24是花键轴；25是调整垫；26是内外花键套；27是调整齿座；28是锁紧套；29是花键轴；30是调整齿座；31是内外花键套；32是锁紧套；33、34、35是压电陶瓷力传感器；36、37、39是电阻应变片；38是螺杆。

具体实施方式

实验时，首先调整截割臂的伸出半径、截齿的空间角度和截齿截线距，模拟所需测定滚筒的几何参数。其次，模拟煤壁的液压缸通压力油，使煤岩承受一定的压力（模拟矿压）。然后顺序启动截割电机和牵引电机，使截割臂旋转并在横向进给机构的牵引下接近并开始截割煤壁。截割臂的转速可通过变频电机及减速装置来调整，牵引速度的改变通过调整变量泵控制液压缸来实现，完成滚筒运动参数的模拟。截齿上受到的截割阻力、牵引阻力及侧向力经传感器采集并放大后传送给信号采集系统，信号采集系统将传输过来的信号存储记录，供分析使用。与此同时，转速转矩仪同步记录截割臂所受的扭矩。当需测定其他截割工况时，重复上述步骤，改变实验装置中的几何参数和运动参数既可重新测定。

Claims (12)

1.一种多截齿参数可调式旋转煤岩截割装置，其技术特征在于采用多截齿旋转截割、几何参数和运动参数可调。

2.根据权利1所述的几何参数可调包含万能角度齿座角度调整方法。

3.根据权利要求2所述的调整方法，利用齿座上内外花键套齿数相差一齿，实现差齿传动。

4.根据权利要求3所述的调整方法，调整时，花键轴相对内外花键套正向旋转n个齿数，然后内外花键套相对调整齿座反向旋转n个齿数，故实际调整角度φ为：

 ，其中z₁花键套上内花键齿数， z₂花键套上外花键齿数，z₂-z₁=1；旋转齿数n可根据实际需要计算求得，从而得到万能角度齿座上截齿的任意空间角度（切向安装角、轴向倾斜角）。

5.根据权利1所述的几何参数可调包含截割臂的调整方法。

6.根据权利要求5所述的调整方法，截割臂径向的调整，是通过调整伸缩臂相对固定臂的伸出长度确定，并用双列圆柱销固定；截割臂上齿座间的周向夹角调整，是通过调整固定臂、内外花键套及截割轴三者之间的相对位置获得，调整方法同万能角度齿座的调整方法；截线距的调整，是通过改变各截割臂间的轴套大小来获得。

7.根据权利1所述的运动参数可调包含速度调整机构。

8.根据权利要求7所述的调整方法，采用驱动电动机变频调速方法调节截割臂转速，采用变量泵控制液压缸实现截割台架横向及纵向进给运动，人为设定进给速度，速度传感器反馈，自动调速或手动调速。

9.根据权利要求1所述的实验装置，能同时测试三向力和截割扭矩。

10.根据权利9所述的三向力测试装置，使用压电陶瓷力传感器或电阻应变片式传感器采集截齿上三向力的结构。

11.根据权利9所述的截割扭矩测试装置，采用转速转矩仪直接检测截齿截割阻力矩的方法。

12.一种矿压模拟的方法，在模拟煤壁的上方采用多个联动液压缸，使采 空区和未开采区矿压不同，实现井下煤层顶板的矿压模拟。 

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