CN103424326A - 煤岩截割试验装置及截割刀具试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种煤岩截割试验装置及截割刀具试验方法，该装置包括设备支架、截割刀具夹持机构和截割试样夹持机构，设备支架包括设备底座、设备龙门架和水平截割横梁；截割刀具夹持机构包括移动板、电动机一、滚珠丝杠、蜗轮蜗杆机构、手轮、手动锁紧机构、刀具夹具、截割刀具和三维力传感器；截割试样夹持机构包括圆形支撑导轨、岩石回转移动平台、岩石截割移动平台、岩石回转夹具、煤岩试样一、岩石截割夹具、煤岩试样二、伺服油缸、液压回转装置和液压驱动系统。本发明煤岩截割试验装置集成了刀具截割和刀具磨损的实验功能，适用于硬岩截割机理的研究，以及截割刀具的性能优化。

Description

煤岩截割试验装置及截割刀具试验方法

技术领域

本发明属于煤岩截割实验的技术领域，具体涉及一种煤岩截割试验装置及截割刀具试验方法。

背景技术

煤岩截割是煤炭机械化开采与掘进的重要环节，其过程是反应采掘机械工作结构设计、运动参数选择、及整机工作性能的一个重要物理过程。根据煤岩截割特性合理的设计采煤机、掘进机截割部件的截割刀具、布置形式、工作转速等参数可有效提高截割效率、降低截割刀具损耗成本。

随着煤炭采掘深度的增加，硬岩掘进技术急需解决。虽然部分煤机企业研制出了硬岩掘进机，但其截齿损耗成本非常高。因此急需研究新的硬岩截割机理以降低掘进成本。而现场条件的特殊性和截割过程的复杂性使得探究煤岩截割机理，评价截割刀具性能显得非常困难。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种煤岩截割试验装置及截割刀具试验方法，以便于硬岩截割机理的研究，以及截割刀具的性能优化。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种煤岩截割试验装置，包括设备支架、截割刀具夹持机构和截割试样夹持机构；

所述设备支架包括设备底座，所述设备底座上设有设备龙门架，所述设备龙门架上设有水平截割横梁；

所述截割刀具夹持机构包括移动板和电动机一，所述移动板可滑动的设置在水平截割横梁上，所述电动机一设置在水平截割横梁一端的设备龙门架上，电动机一的输出轴与滚珠丝杠相连，所述滚珠丝杠与移动板螺纹配合，在移动板上设有蜗轮蜗杆机构，所述蜗轮蜗杆机构的涡轮轴水平设置，并且与手轮相连，蜗轮蜗杆机构的蜗杆轴竖直设置，并且设有手动锁紧机构，所述蜗杆轴的下端设有可拆卸的刀具夹具，所述刀具夹具上设有截割刀具，所述截割刀具处设有三维力传感器；

所述截割试样夹持机构包括圆形支撑导轨、岩石回转移动平台和岩石截割移动平台，所述圆形支撑导轨设置在设备龙门架的底部，所述岩石回转移动平台和岩石截割移动平台可滑动的设置在圆形支撑导轨上，岩石回转移动平台上设有岩石回转夹具，所述岩石回转夹具上设有煤岩试样一，岩石截割移动平台上设有岩石截割夹具，所述岩石截割夹具上设有煤岩试样二，岩石截割移动平台与伺服油缸相连，岩石回转移动平台与液压回转装置相连，所述伺服油缸和液压回转装置均与液压驱动系统相连。

在本发明在，进一步的，所述煤岩试样上设有声发射传感器。

在本发明在，进一步的，所述设备底座上还设有红外测温仪。

在本发明在，进一步的，所述液压驱动系统包括油箱组成，所述油箱组成的出油口与自封式吸油滤油器的进油口相连，所述自封式吸油滤油器的出油口与定量柱塞泵的进油口相连，所述定量柱塞泵由电动机二驱动，定量柱塞泵的出油口分别与单向阀一、截止阀、先导式溢流阀和双联齿轮泵的进油口相连，所述单向阀一的出油口分别与电液换向阀、高精度调速阀、囊式蓄能器和节流截止阀的进油口相连，所述电液换向阀的两个出油口通过叠加式单向节流阀分别与液压回转装置的两个进油口相连，所述高精度调速阀的两个出油口分别与伺服油缸的两个进油口相连，高精度调速阀的出油口与伺服油缸的进油口的连接管路上还设有顺序阀，所述顺序阀处并联单向阀二，所述囊式蓄能器处设有压力传感器，所述截止阀处设有抗震压力表，所述双联齿轮泵的出油口分别与高压管路滤油器和直动式溢流阀的进油口相连，所述电液换向阀、高精度调速阀、节流截止阀、先导式溢流阀、高压管路滤油器和直动式溢流阀的回油口均与油箱组成的回油口相连。

本发明试验装置的刀具磨损试验方法，其包括以下步骤：

a、沿圆形支撑导轨手动将与液压回转装置相连的岩石回转移动平台推到截割刀具下端，并在圆形支撑导轨上锁死，通过手轮调整截割刀具截割深度，使截割刀具与煤岩试样一接触；

b、启动电动机二后，定量柱塞泵供油通过电液换向阀和叠加式单向节流阀带动液压回转装置转动，通过电液换向阀控制煤岩试样一正反转，通过叠加式单向节流阀调节液压回转装置的转动速度，从而调节煤岩试样的旋转速度；

c、三维力传感器通过数据采集系统显示截割刀具所受摩擦力，从而对截割刀具的摩擦磨损行为进行分析。

本发明试验装置的刀具截割试验方法，其包括以下步骤：

a、先将岩石回转移动平台沿圆形支撑导轨推至一侧；

b、启动电动机一，调节截割刀具在水平方向的移动距离，通过手轮调节截割刀具截割深度，然后将手动锁紧机构锁紧；

c、启动电动机二后，定量柱塞泵先向囊式蓄能器充油，当囊式蓄能器充油完成后，定量柱塞泵和囊式蓄能器通过高精度调速阀同时给伺服油缸供油，带动伺服油缸的活塞杆伸长，使煤岩试样二与截割刀具接触，进行一次煤岩截割实验；

d、当一次截割实验结束后，通过手轮上移截割刀具，通过高精度调速阀改变伺服油缸进油方向，带动伺服油缸的活塞杆缩回，使煤岩试样二回到起始位置，

e、重复步骤b、c和d，进行多次煤岩截割实验，并通过手轮调节截割刀具截割深度，通过高精度调速阀调节伺服油缸的活塞杆伸缩速度，进而调节截割刀具的截割速度，通过电动机一与滚珠丝杠带动移动板在水平截割横梁移动，从而可调节截割刀具截割间距；

f、三维力传感器通过数据采集系统显示每次煤岩截割实验时截割刀具所受截割阻力。

有益效果：（1）本发明煤岩截割试验装置集成了刀具截割和刀具磨损的实验功能，通过更换与力传感器相连的刀具夹具可进行截齿，滚刀等不同刀具的截割实验和刀具磨损的实验。通过该试验装置可获得截割速度，截割间距和截割深度等截割参数变化时，截割实验的截割力的值。

（2）本发明中液压驱动系统对针对执行机构短时间内需较大供油量的情况，利用较小排量的泵先给蓄能器充油，待充满后泵和蓄能器同时给执行机构供油，在这种供油方式下，可选用较小的泵和电机，从而降低了设备费用和操作费用。

（3）本发明中的声发射传感器和红外测温仪可在实验过程中实现对煤岩试样表面振动的检测和刀具温度的测量。

（4）本发明煤岩截割试验装置控制精度高，系统稳定，特别硬岩截割机理的研究，以及截割刀具的性能优化。

附图说明

图1为本发明煤岩截割试验装置的主视图；

图2为本发明煤岩截割试验装置的侧视图；

图3为本发明煤岩截割试验装置的俯视图；

图4为本发明煤岩截割试验装置的液压系统原理图；

图5为截割刀具采用截齿时，截割刀具和刀具夹具示意图；

图6为截割刀具采用盘形滚刀时，截割刀具和刀具夹具示意图。

1-设备底座，2-螺栓一，3-设备龙门架，4-岩石截割移动平台，5-截割刀具，6-刀具夹具，7-三维力传感器，8-水平截割横梁，9-螺栓二，10-手轮，11-蜗轮蜗杆机构，12-移动板，13-手动锁紧机构，14-滚珠丝杠，15-电动机一，16-声发射传感器，17-煤岩试样二，18-岩石截割夹具，19-圆形支撑导轨，20-油缸座，21-伺服油缸，22-红外测温仪，23-煤岩试样一，24-岩石回转夹具，25-岩石回转移动平台，26-液压回转装置，27-油箱组成，28-液位计，29-空气滤清器，30-自封式吸油滤油器，31-电动机二，32-定量柱塞泵，33-先导式溢流阀，34-高压管路滤油器，35-直动式溢流阀，36-截止阀，37-抗震压力表，38-单向阀一，39-节流截止阀，40-双联齿轮泵，41-比例换向阀，42-压力传感器，43-囊式蓄能器，44-磁性集污器，45-顺序阀，46-压力补偿器，47-叠加式单向节流阀，48-电液换向阀、49-单向阀二。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1至6所示，本发明的煤岩截割试验装置包括设备支架、截割刀具夹持机构和截割试样夹持机构。

设备支架包括设备底座1，设备底座1上通过螺栓一2安装设备龙门架3，设备龙门架3上通过螺栓二9安装水平截割横梁8。另外在设备底座1上还通过支架安装红外测温仪22。

截割刀具夹持机构包括移动板12和电动机一15，移动板12可滑动的设置在水平截割横梁8上，电动机一15设置在水平截割横梁8一端的龙门架3上，电动机一15的输出轴与滚珠丝杠14相连，滚珠丝杠14与移动板12螺纹配合。电动机一15工作时，通过滚珠丝杠14带动移动板12沿水平截割横梁8滑动。在移动板12上设有蜗轮蜗杆机构11，蜗轮蜗杆机构11的涡轮轴水平设置，并且与手轮10相连，蜗轮蜗杆机构11的蜗杆轴竖直设置，并且设有手动锁紧机构13，蜗杆轴的下端设有可拆卸的刀具夹具6。通过手轮10可驱动蜗轮蜗杆机构11的涡轮轴转动，进而带动蜗轮蜗杆机构11的蜗杆轴上下移动，刀具夹具6随之上下移动，通过手动锁紧机构13可将涡轮轴锁死，防止其移动。刀具夹具6上设有截割刀具5，截割刀具5可采用截齿或盘形滚刀，截割刀具5处设有三维力传感器7。

截割试样夹持机构包括圆形支撑导轨19、岩石回转移动平台25和岩石截割移动平台4。圆形支撑导轨19设置在设备龙门架3的底部，岩石回转移动平台25和岩石截割移动平台4可滑动的设置在圆形支撑导轨19上，岩石回转移动平台25上设有岩石回转夹具24，岩石回转夹具24上设有煤岩试样一23，岩石截割移动平台4上设有岩石截割夹具18，岩石截割夹具18上设有煤岩试样二17，在煤岩试样二17上设有声发射传感器16。岩石截割移动平台4与伺服油缸21相连，岩石回转移动平台25与液压回转装置26相连，伺服油缸21和液压回转装置26均与液压驱动系统相连。

液压驱动系统包括油箱组成27，油箱组成27内设液位计28、空气滤清器29和磁性集污器44，所述油箱组成27的出油口与自封式吸油滤油器30的进油口相连，自封式吸油滤油器30的出油口与定量柱塞泵32的进油口相连，定量柱塞泵32由电动机二31驱动，定量柱塞泵32的出油口分别与单向阀一38、截止阀36、先导式溢流阀33和双联齿轮泵40的进油口相连，单向阀一38的出油口分别与电液换向阀48、高精度调速阀、囊式蓄能器43和节流截止阀39的进油口相连，电液换向阀48的两个出油口通过叠加式单向节流阀47分别与液压回转装置26的两个进油口相连，高进度调速阀由比例换向阀41与压力补偿器46叠加构成，高精度调速阀的两个出油口分别与伺服油缸21的两个进油口相连，高精度调速阀的右侧出油口与伺服油缸21的右侧进油口的连接管路上还设有顺序阀45，在顺序阀45处并联单向阀二49，囊式蓄能器43处设有压力传感器42，截止阀36处设有抗震压力表37，双联齿轮泵40的出油口分别与高压管路滤油器34和直动式溢流阀35的进油口相连，电液换向阀48、高精度调速阀、节流截止阀39、先导式溢流阀33、高压管路滤油器34和直动式溢流阀35的回油口均与油箱组成27的回油口相连。

液压回转装置26动作时，油箱组成27供油通过自封式吸油滤油器30、定量柱塞泵32、单向阀一38、电液换向阀48进入液压回转装置26中，驱动液压回转装置26转动，进而带动岩石回转移动平台25上的煤岩试样一23转动，通过电液换向阀48可以改变液压油在液压回转装置26中的流向，进而改变液压回转装置26转动方向。

伺服油缸21动作时，油箱组成27供油通过自封式吸油滤油器30、定量柱塞泵32、单向阀一38、高精度调速阀进入液伺服油缸21中，驱动伺服油缸21的活塞杆运动，进而带动岩石截割移动平台4上的煤岩试样二17直线运动，通过高精度调速阀可以改变液压油在伺服油缸21中流向，供油经高精度调速阀的左侧出油口进入伺服油缸21的侧侧进油口时，伺服油缸21的活塞杆向右伸出，供油经高精度调速阀的右侧出油口进入伺服油缸21的侧侧进油口时，伺服油缸21的活塞杆向左缩回，进而实现煤岩试样二17沿直线方向往复运动。

煤岩截割试验时，伺服油缸21的活塞杆向右伸出，截割阻力是变负载，即当截割刀具5碰到煤岩试样二17时，截割阻力剧增，此时使用顺序阀45与单向阀二49并联而成的平衡阀可以在回油路建立背压，能够使伺服油缸21的活塞杆运动平稳，不出现明显的速度波动。伺服油缸21的活塞杆向右伸出时，油液通过顺序阀45，活塞杆向左缩回时，油液通过单向阀二49。

与囊式蓄能器43相连的压力传感器42可以对囊式蓄能器43的充气压力、工作压力进行监测。

在定量柱塞泵32的出口处连有溢流阀33可以限定定量柱塞泵32的出口压力，在系统压力超过限定压力时，溢流阀33阀口开启，定量柱塞泵32的输出压力不再升高，起安全保护作用。定量柱塞泵32的出口处连有抗震压力表37可以对定量柱塞泵32的出口压力进行监测，截止阀36控制油液的流通和截止。

与定量柱塞泵32相连的双联齿轮泵40供油给高压管路滤油器34，高压管路滤油器34可以保护污染物不进入液压系统，保证系统油液的清洁。直动式溢流阀35在双联齿轮泵40的出口起溢流保护的作用。

油箱组成27内的空气滤清器29可以过滤系统吸入的空气，滤除油液内的赃物颗粒，保证油源的清洁，液压系统工作时空气滤清器29能维持油箱内的压力和大气压力平衡，避免泵出现空穴现象。磁性集污器44可以吸收油箱中的赃物颗粒，保证油源清洁。自封式吸油滤油器30置于定量柱塞泵32吸油侧，可以防止赃物进入系统，保持定量柱塞泵32及液压驱动清洁。

采用上述煤岩截割试验装置的刀具磨损试验方法，其包括以下步骤：

a.沿圆形支撑导轨19手动将与液压回转装置26相连的岩石回转移动平台25推到截割刀具5下端，并在圆形支撑导轨19上锁死，通过手轮10调整截割刀具5截割深度，使截割刀具5与煤岩试样一23接触；

b.启动电动机二31后，定量柱塞泵32供油通过电液换向阀48和叠加式单向节流阀47带动液压回转装置26转动，通过电液换向阀48控制煤岩试样一23正反转，通过叠加式单向节流阀47调节液压回转装置26的转动速度，从而调节煤岩试样23的旋转速度；

c、三维力传感器7通过数据采集系统显示截割刀具5所受摩擦力，从而对截割刀具5的摩擦磨损行为进行分析。根据摩擦磨损行为分析结果，从而进行刀具结构的优化。

采用上述煤岩截割试验装置的刀具截割试验方法，其包括以下步骤：

a、先将岩石回转移动平台25沿圆形支撑导轨19推至一侧；

b、启动电动机一15，调节截割刀具5在水平方向的移动距离，通过手轮10调节截割刀具5截割深度，然后将手动锁紧机构13锁紧；

c、启动电动机二31后，定量柱塞泵32先向囊式蓄能器43充油，当囊式蓄能器43充油完成后，定量柱塞泵32和囊式蓄能器43通过高精度调速阀同时给伺服油缸21供油，带动伺服油缸21的活塞杆伸长，使煤岩试样二17与截割刀具5接触，进行一次煤岩截割实验；

d、当一次截割实验结束后，通过手轮10上移截割刀具5，通过高精度调速阀改变伺服油缸21进油方向，带动伺服油缸21的活塞杆缩回，使煤岩试样二17回到起始位置，

e、重复步骤b、c和d，进行多次煤岩截割实验，并通过手轮10调节截割刀具5截割深度，通过高精度调速阀调节伺服油缸21的活塞杆伸缩速度，进而调节截割刀具5的截割速度，通过电动机一15与滚珠丝杠14带动移动板12在水平截割横梁8移动，从而可调节截割刀具5截割间距；

f.三维力传感器7通过数据采集系统显示每次煤岩截割实验时截割刀具5所受截割阻力。进而研究截割速度、截割深度和截割间距等截割参数变化时，截割过程中截割阻力的变化规律。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种煤岩截割试验装置，其特征在于：包括设备支架、截割刀具夹持机构和截割试样夹持机构；

所述设备支架包括设备底座（1），所述设备底座（1）上设有设备龙门架（3），所述设备龙门架（3）上设有水平截割横梁（8）；

所述截割刀具夹持机构包括移动板（12）和电动机一（15），所述移动板（12）可滑动的设置在水平截割横梁（8）上，所述电动机一（15）设置在水平截割横梁（8）一端的设备龙门架（3）上，电动机一（15）的输出轴与滚珠丝杠（14）相连，所述滚珠丝杠（14）与移动板（12）螺纹配合，在移动板（12）上设有蜗轮蜗杆机构（11），所述蜗轮蜗杆机构（11）的涡轮轴水平设置，并且与手轮（10）相连，蜗轮蜗杆机构（11）的蜗杆轴竖直设置，并且设有手动锁紧机构（13），所述蜗杆轴的下端设有可拆卸的刀具夹具（6），所述刀具夹具（6）上设有截割刀具（5），所述截割刀具（5）处设有三维力传感器（7）；

所述截割试样夹持机构包括圆形支撑导轨（19）、岩石回转移动平台（25）和岩石截割移动平台（4），所述圆形支撑导轨（19）设置在设备龙门架（3）的底部，所述岩石回转移动平台（25）和岩石截割移动平台（4）可滑动的设置在圆形支撑导轨（19）上，岩石回转移动平台（25）上设有岩石回转夹具（24），所述岩石回转夹具（24）上设有煤岩试样一（23），岩石截割移动平台（4）上设有岩石截割夹具（18），所述岩石截割夹具（18）上设有煤岩试样二（17），岩石截割移动平台（4）与伺服油缸（21）相连，岩石回转移动平台（25）与液压回转装置（26）相连，所述伺服油缸（21）和液压回转装置（26）均与液压驱动系统相连。

2.根据权利要求1所述的一种煤岩截割试验装置，其特征在于：所述煤岩试样（17）上设有声发射传感器（16）。

3.根据权利要求1所述的一种煤岩截割试验装置，其特征在于：所述设备底座（1）上还设有红外测温仪（22）。

4.根据权利要求1所述的一种煤岩截割试验装置，其特征在于：所述液压驱动系统包括油箱组成（27），所述油箱组成（27）的出油口与自封式吸油滤油器（30）的进油口相连，所述自封式吸油滤油器（30）的出油口与定量柱塞泵（32）的进油口相连，所述定量柱塞泵（32）由电动机二（31）驱动，定量柱塞泵（32）的出油口分别与单向阀一（38）、截止阀（36）、先导式溢流阀（33）和双联齿轮泵（40）的进油口相连，所述单向阀一（38）的出油口分别与电液换向阀（48）、高精度调速阀、囊式蓄能器（43）和节流截止阀（39）的进油口相连，所述电液换向阀（48）的两个出油口通过叠加式单向节流阀（47）分别与液压回转装置（26）的两个进油口相连，所述高精度调速阀的两个出油口分别与伺服油缸（21）的两个进油口相连，高精度调速阀的出油口与伺服油缸（21）的进油口的连接管路上还设有顺序阀（45），所述顺序阀（45）处并联单向阀二（49），所述囊式蓄能器（43）处设有压力传感器（42），所述截止阀（36）处设有抗震压力表（37），所述双联齿轮泵（40）的出油口分别与高压管路滤油器（34）和直动式溢流阀（35）的进油口相连，所述电液换向阀（48）、高精度调速阀、节流截止阀（39）、先导式溢流阀（33）、高压管路滤油器（34）和直动式溢流阀（35）的回油口均与油箱组成（27）的回油口相连。

5.根据权利要求4所述装置的刀具磨损试验方法，其特征在于包括以下步骤：

a、沿圆形支撑导轨（19）手动将与液压回转装置（26）相连的岩石回转移动平台（25）推到截割刀具（5）下端，并在圆形支撑导轨（19）上锁死，通过手轮（10）调整截割刀具（5）截割深度，使截割刀具（5）与煤岩试样一（23）接触；

b、启动电动机二（31）后，定量柱塞泵（32）供油通过电液换向阀（48）和叠加式单向节流阀（47）带动液压回转装置（26）转动，通过电液换向阀（48）控制煤岩试样一（23）正反转，通过叠加式单向节流阀（47）调节液压回转装置（26）的转动速度，从而调节煤岩试样（23）的旋转速度；

c、三维力传感器（7）通过数据采集系统显示截割刀具（5）所受摩擦力，从而对截割刀具（5）的摩擦磨损行为进行分析。

6.根据权利要求4所述装置的刀具截割试验方法，其特征在于包括以下步骤：

a、先将岩石回转移动平台（25）沿圆形支撑导轨（19）推至一侧；

b、启动电动机一（15），调节截割刀具（5）在水平方向的移动距离，通过手轮（10）调节截割刀具（5）截割深度，然后将手动锁紧机构（13）锁紧；

c、启动电动机二（31）后，定量柱塞泵（32）先向囊式蓄能器（43）充油，当囊式蓄能器（43）充油完成后，定量柱塞泵（32）和囊式蓄能器（43）通过高精度调速阀同时给伺服油缸（21)供油，带动伺服油缸（21）的活塞杆伸长，使煤岩试样二（17）与截割刀具（5）接触，进行一次煤岩截割实验；

d、当一次截割实验结束后，通过手轮（10）上移截割刀具（5），通过高精度调速阀改变伺服油缸（21）进油方向，带动伺服油缸（21）的活塞杆缩回，使煤岩试样二（17）回到起始位置，

e、重复步骤b、c和d，进行多次煤岩截割实验，并通过手轮（10）调节截割刀具（5）截割深度，通过高精度调速阀调节伺服油缸（21）的活塞杆伸缩速度，进而调节截割刀具（5）的截割速度，通过电动机一（15）与滚珠丝杠（14）带动移动板（12）在水平截割横梁（8）移动，从而可调节截割刀具（5）截割间距；

f、三维力传感器（7）通过数据采集系统显示每次煤岩截割实验时截割刀具（5）所受截割阻力。

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