CN103940690A - 一种多功能煤岩单齿截割试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能煤岩单齿截割试验装置及方法，该装置包括基架、加载系统、平移系统和状态监测系统，状态监测系统包括位移测量系统、动态磨损监测系统、裂纹萌生与扩展监测系统、煤岩崩落监测系统、煤岩磨损区温度监测系统、煤岩磨损区附近应力测量系统。本发明能够实现截割过程动态加载，通过三轴力传感器记录正压力、截割切向力和侧向力，利用高速摄像机动态记录煤岩崩落情况，利用激光位移传感器监测煤岩-截齿合金头之间的相对位移以及煤岩磨损区磨痕轮廓，利用热成像仪监测截割过程中煤岩截割区热场变化，利用声发射传感器监测煤岩截割过程中裂纹萌生与扩展规律，利用薄膜压力传感器监测煤岩截割过程中煤岩磨损区附近的应力分布。

Description

一种多功能煤岩单齿截割试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种多功能煤岩单齿截割试验装置及方法，用以研究单个截齿截割煤岩过程中截齿磨损特性、煤岩磨损区的动态磨损演化及裂纹萌生与扩展、煤岩的动态崩落过程、煤岩磨损区温度变化以及磨损区附近煤岩的应力分布规律。

背景技术

到2015年，煤炭仍以63%的比重在我国一次性能源消费中占主导地位。在煤炭生产过程中，采掘机械是核心生产装备之一，煤岩是采掘机械直接作用的对象，截割机具上的截齿是直接作用于煤岩的部件。在煤岩截割过程中，截齿承受高温、高应力、高冲击、高磨损的特殊工况，截齿磨损、断裂失效严重，导致煤岩截割效率低、能耗大，因此，提供一种多功能煤岩单齿截割试验装置及方法，准确探究动态载荷作用下复杂裂隙煤岩的单齿截割和犁削致碎机理，为科学设计高效截割机具、优化截割参数和提高破煤效率提供重要理论依据，对保证煤炭的正常生产和我国能源供应具有重要意义。

目前用于煤岩截割装置及试验方法：专利号为200620089762.4公开的一种煤的截割过程测试装置，能够测定固定载荷作用下煤截割过程中截割刀具载荷、截割深度、速度及落煤块度分布；专利号为201020578699.7公开的一种镐形截齿试验装置，可以实现固定和转动情况下煤岩截割过程中镐形截齿的受力、温度及磨损情况；上述专利均不能获得截齿磨损特性、煤岩磨损区裂纹萌生和扩张特性、煤岩动态崩落过程、煤岩磨损区温度变化以及磨损区附近煤岩的应力分布规律。专利号为201210421825.1公开的一种截齿对岩石截割机理试验平台，能研究不同的截齿安装参数和截割运动参数下截割力、截割粉尘浓度、截齿温度场，动态记录截割过程视频，不能研究截齿磨损特性、煤岩磨损区裂纹萌生和扩张特性和磨损区附近煤岩的应力分布规律。专利号201210442183.3公开的一种多截齿参数可调式旋转截割煤岩试验装置，实现采掘机械煤岩截割时的三向力和截割扭矩的测试；专利号为201310341432.4公开的一种煤岩截割试验装置及截割刀具试验方法，能够评价刀具的截割磨损性能和优化参数；上述专利均不能考察煤岩磨损区的动态磨损演化、煤岩磨损区温度变化以及磨损区附近煤岩的应力分布规律。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多功能煤岩单齿截割试验装置及方法，是一种功能齐全、方法简便、易操作的煤岩单齿截割试验装置及方法，可用以研究单个截齿截割煤岩过程中截齿磨损特性、煤岩磨损区的动态磨损演化及裂纹萌生与扩展、煤岩的动态崩落过程、煤岩磨损区温度变化以及磨损区附近煤岩的应力分布规律。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种多功能煤岩单齿截割试验装置，包括基架、加载系统、平移系统和状态监测系统，

所述基架包括底座、对称设置在底座上的两个支撑立柱和水平固定在两个支撑立柱上部的承载梁；

所述加载系统包括固定在承载梁下端面的伺服油缸、固定在伺服油缸伸出活塞上的中间平板、设置在中间平板下部的可移动平板、固定在可移动平板下部的三轴力传感器、设置在三轴力传感器下部的截齿夹具和固定在截齿夹具上的截齿合金头；

所述平移系统包括A平移系统和B平移系统，所述A平移系统包括固定在底座上的固定平台、设置在固定平台一端的A步进电机、与A步进电机连接的A弹性联轴器、与A弹性联轴器连接的A丝杠、对称设置A丝杠两侧的A圆柱直线滑轨和设置在A圆柱直线滑轨上的A移动平台，A移动平台底部与A丝杠螺纹连接，所述B平移系统包括设置在A移动平台一端的B步进电机、与B步进电机连接的B弹性联轴器、与B弹性联轴器连接的B丝杠、对称设置在B丝杠两侧的B圆柱直线滑轨和设置在B圆柱直线滑轨上的B移动平台，在B移动平台上的煤岩夹具中固定煤岩试样，B移动平台底部与B丝杠螺纹连接；

所述状态监测系统包括位移测量系统、动态磨损监测系统、裂纹萌生与扩展监测系统、煤岩崩落监测系统、煤岩磨损区温度监测系统、煤岩磨损区附近应力测量系统；所述位移测量系统包括设置在煤岩试样一侧的A激光位移传感器；所述动态磨损监测系统包括C平移系统和B激光位移传感器，所述C平移系统包括安装在两侧支撑立柱上的夹块、固定于夹块上的立板、固定在立板上的C圆柱直线滑轨、固定在立板上的电机座、固定在电机座上的C步进电机、连接于C步进电机上的C弹性联轴器、与C弹性联轴器连接的C丝杠、设置在C圆柱直线滑轨上并与C丝杠螺纹连接的C丝杠套，所述B激光位移传感器固定于C丝杠套上；所述裂纹萌生与扩展监测系统包括安装于煤岩试样侧面上的声发射传感器；所述煤岩崩落监测系统包括安装在支撑立柱上的A夹块、与A夹块连接的A杆、与A杆铰接的B杆、与B杆铰接的C杆、固定在C杆上的高速摄像机；所述煤岩磨损区温度监测系统包括安装在支撑立柱上的B夹块、与B夹块连接的D杆、与D杆铰接的E杆、与E杆铰接的F杆，固定于F杆上的小型热成像仪；所述煤岩磨损区附近应力测量系统包括埋在煤岩试样表面安装孔内的薄膜压力传感器。

在本发明中，优选的，所述声发射传感器与煤岩试样之间设有耦合剂。

在本发明中，优选的，所述薄膜压力传感器沿磨损滑移方向间隔布置若干对，每对薄膜压力传感器正交布置，薄膜压力传感器与煤岩试样安装孔之间填充有压实的煤粉。

一种利用上述试验装置的煤岩单齿截割试验方法，该方法包括以下步骤：

a）用紧定螺钉将截齿合金头固定在截齿夹具中，将埋有薄膜压力传感器的煤岩试样放在B移动平台上的煤岩夹具中，四周用螺钉固定；

b）控制A步进电机和B步进电机动作，使移动平台上的煤岩试样移动到截齿合金头正下方，控制伺服油缸向下动作，使截齿合金头接触煤岩试样并达到设定初始载荷；

c）启动高速摄像机，调节高速摄像机的位置使得煤岩截割区呈现在高速摄像机视野内；启动小型热成像仪，并调节小型热成像仪位置能够实时监测截割区附近热场变化；启动B激光位移传感器，调整B激光位移传感器位置使其能够监测煤岩磨损区磨痕；启动声发射传感器和薄膜压力传感器；

d）通过计算机控制伺服油缸动作，对截齿合金头-煤岩试样之间施加交变接触载荷，控制A步进电机按给定速度动作，使煤岩试样沿着A圆柱直线滑轨方向运动，实现截齿合金头对煤岩试样的一次单齿截割；

e）在完成一次截割过程后，停止A步进电机动作，通过启动C步进电机带动B激光位移传感器沿着C圆柱直线滑轨运动，测量煤岩磨损区磨损轮廓数据；；

f）磨损轮廓测量完毕，升起伺服油缸，控制A步进电机反转使煤岩试样与截齿合金头回到初始相对位置，控制伺服油缸调节截齿合金头对煤岩试样的截割深度，进行下一次截割过程；

g）重复步骤d、e、f直到完成预定截割次数，停止实验，保存各监测装置实时测量的数据。

有益效果：本发明试验该装置能够实现截割过程动态加载，并可以实时监测整个截割过程的多个参量，通过三轴力传感器记录正压力、截割切向力和侧向力，利用高速摄像机动态记录煤岩崩落情况，利用A激光位移传感器监测煤岩-截齿合金头之间的相对位移，利用B激光位移传感器监测煤岩磨损区磨痕轮廓，利用热成像仪监测截割过程中煤岩截割区热场变化，利用声发射传感器监测煤岩截割过程中裂纹萌生与扩展规律，利用薄膜压力传感器监测煤岩截割过程中煤岩磨损区附近的应力分布，通过单齿截割实验获得截齿合金头的磨损特性，该试验装置为进一步设计和优化截割机具、提高截割头寿命与截割效率、探究煤岩截割机理提供重要的依据。

附图说明

图1为本发明试验装置的整体结构主视图；

图2为图1中A-A向视图。

图中：1—立板，2—B激光位移传感器，3—C圆柱直线滑轨，4—C丝杠，5—C弹性联轴器，6—C步进电机座，7—C步进电机，8—中间平板，9—可移动平板，10—三轴力传感器，11—截齿夹具，12—截齿合金头，13—煤岩试样，14—B移动平台，15—B圆柱直线滑轨，16—底座，17—固定平板，18—支座，19—A圆柱直线滑轨，20—A移动平台，21—B步进电机，22—小型热成像仪，23—B夹块，24—声发射传感器，25—A激光位移传感器，26—C丝杠套，27—伺服油缸，28—支撑立柱，29—承载梁，30—高速摄像机，31—C杆，32—B杆，33—A杆，34—A夹块，35—B丝杠，36—薄膜压力传感器，37—B弹性联轴器，38—B步进电机座，39—D杆，40—E杆，41—F杆，42—A丝杠，43—A弹性联轴器，44—A步进电机座，45—A步进电机。

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和2所示，本发明的多功能煤岩单齿截割试验装置包括基架、加载系统、平移系统和状态监测系统。

所述基架包括底座16、对称设置在底座上的两个支撑立柱28和水平固定在两个支撑立柱28上部的承载梁29。

所述加载系统包括固定在承载梁29下端面的伺服油缸27、固定在伺服油缸27伸出活塞上的中间平板8、设置在中间平板8下部的可移动平板9、固定在可移动平板9下部的三轴力传感器10、设置在三轴力传感器10下部的截齿夹具11和固定在截齿夹具11上的截齿合金头12。伺服油缸27通过计算机系统控制，能够提供正弦波、矩形波、锯齿波等多种交变载荷，伺服油缸27伸出活塞与中间平板8螺纹固定在一起，中间平板8和可移动平板9通过螺栓固定在一起；截齿合金头12通过紧定螺钉固定在截齿夹具11中。

所述平移系统包括A平移系统和B平移系统。所述A平移系统包括固定在底座16上的固定平台17、通过A步进电机座44设置在固定平台17一端的A步进电机45、与A步进电机45连接的A弹性联轴器43、与A弹性联轴器43连接的A丝杠42、对称设置A丝杠42两侧的A圆柱直线滑轨19和设置在A圆柱直线滑轨19上的A移动平台20，A移动平台20底部与A丝杠42螺纹连接，在A步进电机45正反转带动下，A移动平台20可沿A圆柱直线滑轨19往复运动。所述B平移系统包括通过B步进电机座38设置在A移动平台20一端的B步进电机21、与B步进电机连接的B弹性联轴器37、与B弹性联轴器37连接的B丝杠35、对称设置在B丝杠35两侧的B圆柱直线滑轨15和设置在B圆柱直线滑轨15上的B移动平台14，在B移动平台14上的煤岩夹具中固定煤岩试样13，B移动平台14底部与B丝杠35螺纹连接，在B步进电机21正反转带动下，B移动平台14可沿B圆柱直线滑轨15往复运动，通过移动A移动平台20和B移动平台14来调节煤岩试样13的位置。

所述状态监测系统包括位移测量系统、动态磨损监测系统、裂纹萌生与扩展监测系统、煤岩崩落监测系统、煤岩磨损区温度监测系统、煤岩磨损区附近应力测量系统。

所述位移测量系统包括设置在煤岩试样13一侧的A激光位移传感器25。A激光位移传感器25通过支座18固定于固定平台17上。A激光位移器25通过监测它与煤岩夹具14侧面的距离实现动态测量截齿合金头12和煤岩试样13的相对滑移距离，所述A激光位移传感器25量程为500mm，精度为±1mm。

所述动态磨损监测系统包括C平移系统和B激光位移传感器，所述C平移系统包括安装在两侧支撑立柱28上的夹块、固定于夹块上的立板1、固定在立板1上的C圆柱直线滑轨3、固定在立板1上的电机座6、固定在电机座6上的C步进电机7、连接于C步进电机7上的C弹性联轴器5、与C弹性联轴器5连接的C丝杠4、设置在C圆柱直线滑轨3上并与C丝杠4螺纹连接的C丝杠套26，所述B激光位移传感器2固定于C丝杠套26上。在C步进电机7正反转带动下，B激光位移传感器2可沿C圆柱直线滑轨3往复运动，动态监测煤岩截割过程中煤岩磨痕的磨损轮廓，所述B激光位移传感器2量程为500mm，精度为±1mm。

所述裂纹萌生与扩展监测系统包括安装于煤岩试样13侧面上的声发射传感器24。为了提高监测质量，在声发射传感器24与煤岩试样13之间设有耦合剂。

所述煤岩崩落监测系统包括安装在支撑立柱28上的A夹块34、与A夹块34连接的A杆33、与A杆33铰接的B杆32、与B杆32铰接的C杆31、固定在C杆31上的高速摄像机30，A杆33与B杆32之间以及B杆32与C杆31之间可以相对转动，使高速摄像机30可随意调整角度和空间位置。所述高速摄像机选用国产千眼狼5F系列高速摄像机，分辨率最高为1600万像素，支持全幅4000帧/秒的超高速摄影，小画幅时最高达20万帧/秒。

所述煤岩磨损区温度监测系统包括安装在支撑立柱28上的B夹块23、与B夹块连接的D杆39、与D杆39铰接的E杆40、与E杆40铰接的F杆41，固定于F杆41上的小型热成像仪22，D杆39与E杆40之间以及E杆40与F杆41之间可以相对转动，使小型热成像仪22可随意调整角度和空间位置。所述小型热成像仪22选用日本千野TP-L小型热成像仪，分辨力为0.5℃，精度为测量值的±2%。

所述煤岩磨损区附近应力测量系统包括埋在煤岩试样13表面安装孔内的薄膜压力传感器36，薄膜压力传感器36沿磨损滑移方向间隔布置若干对，每对薄膜压力传感器36正交布置，为保证薄膜压力传感器36与煤岩试样13安装孔之间有良好接触，其接触空隙内填充有压实的煤粉。

一种利用上述试验装置的煤岩单齿截割试验方法，该方法包括以下步骤：

a）用紧定螺钉将截齿合金头12固定在截齿夹具11中，将埋有薄膜压力传感器36的煤岩试样13放在B移动平台14上的煤岩夹具中，四周用螺钉固定；

b）控制A步进电机45和B步进电机21动作，使移动平台上的煤岩试样移动到截齿合金头12正下方，控制伺服油缸27向下动作，使截齿合金头12接触煤岩试样13并达到设定初始载荷；

c）启动高速摄像机30，调节高速摄像机30的位置使得煤岩截割区呈现在高速摄像机30视野内；启动小型热成像仪22，并调节小型热成像仪22位置能够实时监测截割区附近热场变化；启动B激光位移传感器2，调整B激光位移传感器2位置使其能够监测煤岩磨损区磨痕；启动声发射传感器24和薄膜压力传感器36；

d）通过计算机控制伺服油缸27动作，对截齿合金头12-煤岩试样13之间施加交变接触载荷，控制A步进电机45按给定速度动作，使煤岩试样13沿着A圆柱直线滑轨19方向运动，实现截齿合金头12对煤岩试样13的一次单齿截割；

e）在完成一次截割过程后，停止A步进电机45动作，通过启动C步进电机7带动B激光位移传感器2沿着C圆柱直线滑轨3运动，测量煤岩磨损区磨损轮廓数据；

f）磨损轮廓测量完毕，升起伺服油缸26，控制A步进电机45反转使煤岩试样13与截齿合金头12回到初始相对位置，控制伺服油缸26调节截齿合金头12对煤岩试样13的截割深度，进行下一次截割过程；

g）重复步骤d、e、f直到完成预定截割次数，停止实验，保存各监测装置实时测量的数据。

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 (4)

1.一种多功能煤岩单齿截割试验装置，包括基架、加载系统、平移系统和状态监测系统，其特征在于：

所述基架包括底座（16）、对称设置在底座上的两个支撑立柱（28）和水平固定在两个支撑立柱（28）上部的承载梁（29）；

所述加载系统包括固定在承载梁（29）下端面的伺服油缸（27）、固定在伺服油缸（27）伸出活塞上的中间平板（8）、设置在中间平板（8）下部的可移动平板（9）、固定在可移动平板（9）下部的三轴力传感器（10）、设置在三轴力传感器（10）下部的截齿夹具（11）和固定在截齿夹具（11）上的截齿合金头（12）；

所述平移系统包括A平移系统和B平移系统，所述A平移系统包括固定在底座（16）上的固定平台（17）、设置在固定平台（17）一端的A步进电机（45）、与A步进电机（45）连接的A弹性联轴器（43）、与A弹性联轴器（43）连接的A丝杠（42）、对称设置A丝杠（42）两侧的A圆柱直线滑轨（19）和设置在A圆柱直线滑轨（19）上的A移动平台（20），A移动平台（20）底部与A丝杠（42）螺纹连接，所述B平移系统包括设置在A移动平台（20）一端的B步进电机（21）、与B步进电机连接的B弹性联轴器（37）、与B弹性联轴器（37）连接的B丝杠（35）、对称设置在B丝杠（35）两侧的B圆柱直线滑轨（15）和设置在B圆柱直线滑轨（15）上的B移动平台（14），在B移动平台（14）上的煤岩夹具中固定煤岩试样（13），B移动平台（14）底部与B丝杠（35）螺纹连接；

所述状态监测系统包括位移测量系统、动态磨损监测系统、裂纹萌生与扩展监测系统、煤岩崩落监测系统、煤岩磨损区温度监测系统、煤岩磨损区附近应力测量系统；所述位移测量系统包括设置在煤岩试样（13）一侧的A激光位移传感器（25）；所述动态磨损监测系统包括C平移系统和B激光位移传感器，所述C平移系统包括安装在两侧支撑立柱（28）上的夹块、固定于夹块上的立板（1）、固定在立板（1）上的C圆柱直线滑轨（3）、固定在立板（1）上的电机座（6）、固定在电机座（6）上的C步进电机（7）、连接于C步进电机（7）上的C弹性联轴器（5）、与C弹性联轴器（5）连接的C丝杠（4）、设置在C圆柱直线滑轨（3）上并与C丝杠（4）螺纹连接的C丝杠套（26），所述B激光位移传感器（2）固定于C丝杠套（26）上；所述裂纹萌生与扩展监测系统包括安装于煤岩试样（13）侧面上的声发射传感器（24）；所述煤岩崩落监测系统包括安装在支撑立柱（28）上的A夹块（34）、与A夹块（34）连接的A杆（33）、与A杆（33）铰接的B杆（32）、与B杆（32）铰接的C杆（31）、固定在C杆（31）上的高速摄像机（30）；所述煤岩磨损区温度监测系统包括安装在支撑立柱（28）上的B夹块（23）、与B夹块连接的D杆（39）、与D杆（39）铰接的E杆（40）、与E杆（40）铰接的F杆（41），固定于F杆（41）上的小型热成像仪（22）；所述煤岩磨损区附近应力测量系统包括埋在煤岩试样（13）表面安装孔内的薄膜压力传感器（36）。

2.根据权利要求1所述的一种多功能煤岩单齿截割试验装置，所述声发射传感器（24）与煤岩试样（13）之间设有耦合剂。

3.根据权利要求1所述的一种多功能煤岩单齿截割试验装置，所述薄膜压力传感器（36）沿磨损滑移方向间隔布置若干对，每对薄膜压力传感器（36）正交布置，薄膜压力传感器（36）与煤岩试样（13）安装孔之间填充有压实的煤粉。

4.一种利用权利要求1所述试验装置的煤岩单齿截割试验方法，其特征在于包括以下步骤：

a）用紧定螺钉将截齿合金头（12）固定在截齿夹具（11）中，将埋有薄膜压力传感器（36）的煤岩试样（13）放在B移动平台（14）上的煤岩夹具中，四周用螺钉固定；

b）控制A步进电机（45）和B步进电机（21）动作，使移动平台上的煤岩试样（13）移动到截齿合金头（12）正下方，控制伺服油缸（27）向下动作，使截齿合金头（12）接触煤岩试样（13）并达到设定初始载荷；

c）启动高速摄像机（30），调节高速摄像机（30）的位置使得煤岩截割区呈现在高速摄像机（30）视野内；启动小型热成像仪（22），并调节小型热成像仪（22）位置能够实时监测截割区附近热场变化；启动B激光位移传感器（2），调整B激光位移传感器（2）位置使其能够监测煤岩磨损区磨痕；启动声发射传感器（24）和薄膜压力传感器（36）；

d）通过计算机控制伺服油缸（27）动作，对截齿合金头（12）-煤岩试样（13）之间施加交变接触载荷，控制A步进电机（45）按给定速度动作，使煤岩试样（13）沿着A圆柱直线滑轨（19）方向运动，实现截齿合金头（12）对煤岩试样（13）的一次单齿截割；

e）在完成一次截割过程后，停止A步进电机（45）动作，通过启动C步进电机（7）带动B激光位移传感器（2）沿着C圆柱直线滑轨（3）运动，测量煤岩磨损区磨损轮廓数据；；

f）磨损轮廓测量完毕，升起伺服油缸（26），控制A步进电机（45）反转使煤岩试样（13）与截齿合金头（12）回到初始相对位置，控制伺服油缸（26）调节截齿合金头（12）对煤岩试样（13）的截割深度，进行下一次截割过程；

g）重复步骤d、e、f直到完成预定截割次数，停止实验，保存各监测装置实时测量的数据。