CN104929636B - 一种采煤机链式截割部截割齿几何尺寸的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采煤机链式截割部截割齿几何尺寸的设计方法，包括以下步骤：步骤一：确定截深与截割扭矩的关系；步骤二：确定截割齿受力与截深的关系；步骤三：对截割齿破煤过程中截割力进行分析；步骤四：确定截割齿与煤壁接触关系；步骤五：计算单个截割齿截割过程中与煤壁的接触面积；步骤六：确定截割齿接触面面积和与截深的关系；步骤七：计算出截割齿齿身直径。本发明设计出的截割齿截割过程中单位大小受力面所受截割力大小趋于相等，能使截割齿的磨损更加均匀，增强了截割齿的适应性，提高了截割齿截割效率、有利于延长使用寿命、提高了采煤机的可靠性，获得了较好的经济效益，同时，可增加截割部的装煤效果。

Description

一种采煤机链式截割部截割齿几何尺寸的设计方法

技术领域

本发明涉及一种采煤机链式截割部截割齿几何尺寸的设计方法，属于煤矿设备领域。

背景技术

链式采煤机主要由牵引部、行走部、截割部组成，其中截割部包括机身支架、截割链动力部、截割链三部分。采煤机截割部作为采煤机的关键部件和工作机构，采煤机截割部担负着截煤和装煤的任务，其性能好坏决定着采煤机的工作性能和生产效率，截割部的功率消耗占采煤机装机功率的80％-90％，并且采煤机的生产能力、能耗、工作时的负载状况、截割齿的受力情况、块煤率、粉尘量、工作平稳性、可靠性等各项性能指标都与截割部有着密切的关系，因此，截割部截割性能的优劣直接影响着整台采煤机的生产效率和可靠性。

现有的链式采煤机截割部是由链板、销轴和截割齿组成，链板上固定有截割齿，若干链板通过销轴串联形成截割链，截割链在驱动齿轮的驱动下转动实现对煤壁的截割，截割时截割链上的所有截割齿形成一个截割面，完成割煤、破煤的工作，工作效率较低；所述截割链上的截割齿破煤时与煤体垂直接触，由于截割过程中靠近煤壁侧的截割齿围岩压力较大，因此截割阻力较大；且因截割部上的截割齿受力不均，导致截割过程中截割齿的截割能耗不均，加快了截割齿的损耗，截割齿是采煤机常用的截割工具，它直接截割煤层或破岩，工作条件恶劣，为易损零部件，并且采煤机大部分功率消耗在截割齿截割上。截割齿的截割性能优劣，直接影响着采煤机工作结构的运行质量，是减低截割比能耗、减低生产成本、提高截割效率、增加使用寿命、提高可靠性和经济效益的根本途径。

现有的链式采煤机中的截割部上截割齿的结构相同，截割齿的长度近于相等，而由于截割深度较大的截割齿受到的截割阻力大于截割深度较小的截割齿，截割齿在使用过程中的磨损不均匀，截割深度较大处的截割齿往往磨损程度较大，使用寿命也较短，这样就造成了链式采煤机截割部上的一部分截割齿的磨损较快，导致截割部整体的使用寿命短，而频繁地更换截割齿会影响了煤炭企业的正常生产作业，降低了生产效率和经济效益。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种链式截割部采煤机截割齿几何尺寸的设计方法，该方法能指导链式截割部采煤机在截割齿设计的过程中根据截割深度的不同设计出几何尺寸不同的截割齿，能使截割齿截割过程中单位大小受力面所受截割力大小趋于相等，可使设计出的截割齿磨损更加均匀，可增强截割齿的适应性，能提高截割齿的截割效率、并能延长其使用寿命、可提高截割齿的可靠性并能获得显著的经济效益。

为了实现上述目的，本发明提供一种采煤机链式截割部截割齿几何尺寸的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：确定截深与截割扭矩的关系，根据现有滚筒采煤机的截割过程截深与截割扭矩关系示意图得出截深与截割扭矩关系公式y＝ae^x+b，其中y表示截割扭矩，x表示截深,a、b为可变参数；

步骤二：确定截割齿受力与截深的关系，根据截割阻力随截深的变化规律与截割扭矩随截深的变化规律有着相同的指数变化规律，且截割阻力与截割扭矩成一固定倍数关系，在步骤一中的公式的基础上可得出截割过程中所有截割齿总受力随截深变化的关系公式y＝c(a)e^x+b，c为可变参数；

步骤三：对截割齿破煤过程中截割力进行分析，通过建立截割齿破煤过程截割力力学模型进行截割过程分析；

步骤四：确定截割齿与煤壁接触关系，由步骤三中力学模型的截煤过程可知截割阻力主要由截割齿齿身的半圆柱面与煤壁的接触产生，截割齿安装部分并不与煤壁直接接触，所以截割过程中截割齿与煤壁接触长度为齿身长度Lj；

步骤五：计算单个截割齿截割过程中与煤壁的接触面积，将截割齿齿身段简化为一规则型圆锥，此圆锥的长度为截割齿齿身长Lj，圆锥底面直径为齿身最大处的直径D，此圆锥半锥面面积约为

步骤六：确定截割齿接触面面积和与截深的关系，根据总作用力的大小等于总接触面积与平均作用力的乘积，为保证所有截割齿与煤壁接触面单位面积作用力保持不变，随着截深的增加，截割齿与煤壁接触面面积总和也应成一指数函数关系增加，且函数的变化规律应与截割齿总受力与截深变化规律相同，且接触面面积总和与截割阻力成一固定倍数关系，在步骤二中的公式基础上乘一参数即可得到接触面面积总和与截深的关系公式y＝cd(a)e^x+b，d为可变参数；

步骤七：计算出截割齿齿身直径，设截割齿在履带板上从外端到内端布置时截割齿齿身最大直径依次为D1、D2、D3、D4、D5……，相应的齿身长度依次为Lj1、Lj2、Lj3、Lj4、Lj5……，则各截割齿与煤壁接触面面积分别为

由截割过程中截齿与煤壁接触面面积总和随截深变化关系为y＝cd(a)e^x+b，对于最外截齿来说，即齿身最大直径为D1的截割齿，此时截割深度x等于零，因此有：

S₁＝cd(a)+b

S₁+S₂＝cd(a)·e^△L+b

S₁+S₂+S₃＝cd(a)·e^2△L+b

S₁+S₂+S₃+S₄＝cd(a)·e^3△L+b

S₁+S₂+S₃+S₄+S₅＝cd(a)·e^4△L+b

……

其中ΔL为截线距大小，截线距是指两条截割线间的距离，链式截割部中即为履带板上相邻两截齿之间的距离，根据上述公式可依次计算得出截齿齿身最大直径依次为D1、D2、D3、D4、D5……的值，即履带板上所处不同截深位置处的截齿所对应的几何尺寸。

步骤三中的分析过程如下：当截割齿以截割速度vt截割煤体时，在接触处产生很高的压应力，并集中在很小的范围内，由于煤是脆性物质；当接触应力达到极限值时，煤炭开始被局部压碎，形成很细的粉末，并形成煤炭密实核，在截割齿截入的过程中，煤粉密实核部分将以很高的速度沿齿身锥面排出，从而压碎范围不断扩大，密实核也不断扩大，核内的煤粉应受到挤压而积聚能量，并向密实核四周的煤体施压，截割齿的截割阻力的也不断扩大；当密实核扩大到煤与截割齿前面接触点D时，该处煤即发生小块脱落，密实核中的区域Ⅱ的煤粉因受到强烈的压缩而高速喷出，使积聚的能量突然释放，截割阻力也突然减小，煤粉在高速喷出时，与截割齿齿身锥面发生强烈摩擦，致使在截割齿齿尖部分形成聚集物区域Ⅰ，它粘附在截割齿齿尖并与截割齿一起运动，同时对煤体产生楔入作用，截割齿继续前进，密实核体积又扩大，截割阻力也继续扩大，直到再次发生小块剥落及煤粉喷出时，截割阻力下降，最后截割齿运动到B点时，密实核内产生足够大的压力，是煤体内产生剪切裂纹，该裂纹随截割齿前进并扩大到媒体表面，此时截割阻力达到最大值，进而BCD沿裂纹BC剥落，密实核随之消失，截割阻力降低到最小。

步骤七的设计过程中的最外截割齿齿身直径不应过小，可通过调整参数b、c、d控制最小截割齿齿身直径的大小。

本发明中的设计方法可以根据不同截深位置处煤壁的力学效应的不同、截割能耗比的不同，截齿受到的截割阻力的不同来进行截割齿的设计，根据截割齿的截割深度的不同设计出几何尺寸不同的截齿，通过该设计方法设计出截割齿尺寸的大小随着截割深度的增大而相应增大，这样能使截割齿截割过程中单位大小受力面所受截割力大小趋于相等，能使截割齿的磨损更加均匀，增强了截割齿的适应性，提高了截割齿截割效率、有利于延长使用寿命、提高了采煤机的可靠性，获得了较好的经济效益，同时，因为截割深度越大，截割齿尺寸越大，从而可增加截割部的装煤效果。

附图说明

图1是链式截割部采煤机采煤示意图；

图2是现有滚筒采煤机截深与截割扭矩关系示意图；

图3是截齿破煤过程图；

图4是锥形截割齿的结构示意图；

图5是本发明中履带链环单元的结构图；

图6是截割齿与履带板的装配示意图；

图7是图6的右视图；

图8是本发明中链式截割部的整体结构示意图；

图9是图8的左视图。

图中：1、履带链环截割装置，2、驱动齿轮，3、液压马达，4、液压缸套，5、液压缸，6、固定装置，7、销轴，8、链板，9、履带板，10、截割齿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

采煤机上使用的截割齿主要有楔型截割齿和镐型截割齿，两者的破煤机理类似，但由于楔型截割齿破煤能力较弱，逐渐被淘汰，锥型截割齿的截割能力较强，因此本发明主要针对锥形截割齿进行设计。

如图5到图9所示，一种采煤机链式截割部截割齿几何尺寸的设计方法，所述链式截割部包括由多个履带链环单元通过链销连接而成的环形的履带链环截割装置1、至少三个支撑和传动单元、固定在固定装置6中的底座上的销轴7；所述的支撑和传动单元包括驱动齿轮2、液压马达3、液压缸套4和液压缸5；液压缸5一端连接在固定装置6中的底座上，另一端设有液压缸套4，液压缸套4内设有用于驱动所述驱动齿轮2的固定液压马达3，所述的支撑和传动单元以固定装置6中的底座为中心周向等角度布置，所有液压缸5的轴线在同一平面内；所述的履带链环截割装置1内侧的传动链与支撑和传动单元中的驱动齿轮2啮合；所述的履带链环单元包括两个链板8、履带板9和锥形的截割齿10，所述的两个链板8相向的固定在履带板9上，链板8上两端有与链销相配合的孔，若干个截割齿10固定在履带板9上没有链板8的一面，履带板9倾斜式的设置，所述的截割齿10从履带板9的一端至履带板9的另一端等间距焊接在其上，包括以下步骤：

步骤一：确定截深与截割扭矩的关系，根据现有滚筒采煤机的截割过程截深与截割扭矩关系示意图得出截深与截割扭矩关系公式y＝ae^x+b，其中y表示截割扭矩，x表示截深,a、b为可变参数；

截深是指截割链从外到里第一条截线到最后一条截线的轴向距离，其值小于等于截割链的宽度，如图1链式截割部采煤机采煤示意图中，x即为截深,研究截深与截割扭矩的关系可借鉴当前滚筒采煤机的截割过程，图2为现有滚筒采煤机采煤过程中截深与截割扭矩关系示意图，可知截割部截割扭矩与截深成一指数函数关系，可知截割扭矩随着截深的增大而增大，由于随着截深的增大，同一时间参与截割的截齿数也将增多，随着截齿数的增大截割扭矩并不是线性的增加。

步骤二：确定截割齿受力与截深的关系，根据截割阻力随截深的变化规律与截割扭矩随截深的变化规律有着相同的指数变化规律，且截割阻力与截割扭矩成一固定倍数关系，在步骤一中的公式的基础上可得出截割过程中所有截割齿总受力随截深变化的关系公式y＝c(a)e^x+b，c为可变参数；

因扭矩等于力与力臂的乘积，而采煤过程中截割阻力主要由截割齿截割煤壁产生，截齿轴线所在直线到滚筒轴线的距离即为截割扭矩的力臂长度，可知截割扭矩等于截割齿截割阻力与截割齿轴线所在直线到滚筒轴线的距离的乘积。滚筒采煤机截齿与滚筒叶片焊接固定，采煤机过程中截齿的安装角度不变，即截齿轴线所在直线到滚筒轴线的距离保持不变，由此可知截割齿的截割阻力随截深的变化规律与截割扭矩随截深的变化规律有着相同的指数变化规律，且截割阻力与扭矩成一固定倍数关系，在截割扭矩与截深函数关系式上乘一参数即可得到截割阻力与截深的关系，由此可知在截割过程所有截割齿总受力随截深变化关系为y＝c(a)e^x+b。

步骤三：对截割齿破煤过程中截割力进行分析，可以通过建立截割齿破煤过程截割力力学模型进行截割过程分析；

图4示出了锥形截割齿的结构示意图，如图3所示，截割齿破煤过程一般分为截入、密实核形成、跃进破碎三个阶段。当截割齿以截割速度v_t截割煤体时，在接触处产生很高的压应力，并集中在很小的范围内，由于煤是脆性物质；当接触应力达到极限值时，煤炭开始被局部压碎，形成很细的粉末，并形成煤炭密实核，在截割齿截入的过程中，煤粉密实核部分将以很高的速度沿齿身锥面排出，从而压碎范围不断扩大，密实核也不断扩大，核内的煤粉应受到挤压而积聚能量，并向密实核四周的煤体施压，截割齿的截割阻力的也不断扩大；当密实核扩大到煤与截割齿前面接触点D时，该处煤即发生小块脱落，密实核中的区域Ⅱ的煤粉因受到强烈的压缩而高速喷出，使积聚的能量突然释放，截割阻力也突然减小，煤粉在高速喷出时，与截割齿齿身锥面发生强烈摩擦，致使在截割齿齿尖部分形成聚集物区域Ⅰ，它粘附在截割齿齿尖并与截割齿一起运动，同时对煤体产生楔入作用，截割齿继续前进，密实核体积又扩大，截割阻力也继续扩大，直到再次发生小块剥落及煤粉喷出时，截割阻力下降，最后截割齿运动到B点时，密实核内产生足够大的压力，是煤体内产生剪切裂纹，该裂纹随截割齿前进并扩大到媒体表面，此时截割阻力达到最大值，进而BCD沿裂纹BC剥落，密实核随之消失，截割阻力降低到最小，截割受力过程如图3中箭头所示；

步骤四：确定截割齿与煤壁接触关系，由步骤三中力学模型的截煤过程可知截割阻力主要由截割齿齿身的半圆柱面与煤壁的接触产生，截割齿安装部分并不与煤壁直接接触，所以截割过程中截割齿与煤壁接触长度为齿身长度Lj，并非截割齿长度L；

步骤五：计算单个截割齿截割过程中与煤壁的接触面积，将截割齿齿身段简化为一规则型圆锥，此圆锥的长度为截割齿齿身长Lj，圆锥底面直径为齿身最大处的直径D，此圆锥半锥面面积约为

步骤六：确定截割齿接触面面积和与截深的关系，根据总作用力的大小等于总接触面积与平均作用力的乘积，为保证所有截割齿与煤壁接触面单位面积作用力保持不变，随着截深的增加，截割齿与煤壁接触面面积总和也应成一指数函数关系增加，且函数的变化规律应与截割齿总受力与截深变化规律相同，且接触面面积总和与截割阻力成一固定倍数关系，在步骤二中的公式基础上乘一参数即可得到接触面面积总和与截深的关系公式y＝cd(a)e^x+b，d为可变参数；由此可知在截割过程中截齿与煤壁接触面面积总和随截深变化关系为y＝cd(a)e^x+b；

步骤七：计算出截割齿齿身直径，设截割齿在履带板上从外端到内端布置时截割齿齿身最大直径依次为D1、D2、D3、D4、D5……，相应的齿身长度依次为Lj1、Lj2、Lj3、Lj4、Lj5……，则各截割齿与煤壁接触面面积分别为

由截割过程中截齿与煤壁接触面面积总和随截深变化关系为y＝cd(a)e^x+b，对于最外截齿来说，即齿身最大直径为D1的截割齿，此时截割深度x等于零，因此有：

S₁＝cd(a)+b

S₁+S₂＝cd(a)·e^△L+b

S₁+S₂+S₃＝cd(a)·e^2△L+b

S₁+S₂+S₃+S₄＝cd(a)·e^3△L+b

S₁+S₂+S₃+S₄+S₅＝cd(a)·e^4△L+b

……

其中ΔL为截线距大小，截线距是指两条截割线间的距离，链式截割部中即为履带板上相邻两截齿之间的距离，根据上述公式可依次计算得出截齿齿身最大直径依次为D1、D2、D3、D4、D5……的值，即履带板上所处不同截深位置处的截齿所对应的几何尺寸。

步骤三中的分析过程如下：步骤七的设计过程中的最外截割齿齿身直径不应过小，可通过调整参数b、c、d控制最小截割齿齿身直径的大小。

本发明提供一种链式截割部采煤机截割齿几何尺寸的设计方法，该方法能指导链式截割部采煤机在截割齿设计的过程中根据截割深度的不同设计出几何尺寸不同的截割齿，通过计算推导出截割齿受力与截割深度的关系，设计截割齿的大小随着截割深度的增大而相应增大，使截割齿截割过程中单位大小受力面所受截割力大小趋于相等，可使设计出的截割齿磨损更加均匀，可增强截割齿的适应性，能提高截割齿的截割效率、并能延长其使用寿命、可提高截割齿的可靠性并能获得显著的经济效益，同时，依据截割深度越大，截割齿越大的设计方法，能显著增加截割部的装煤效果。

Claims (3)

1.一种采煤机链式截割部截割齿几何尺寸的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定截深与截割扭矩的关系，根据现有滚筒采煤机的截割过程截深与截割扭矩关系可推导得出链式截割部截深与截割扭矩成一指数函数关系可用式y＝ae^x+b表示，其中y表示截割扭矩，x表示截深,a、b为可变参数；

步骤二：确定截割齿受力与截深的关系，根据截割阻力随截深的变化规律与截割扭矩随截深的变化规律有着相同的指数函数变化规律，且截割阻力与截割扭矩成一固定倍数关系，在步骤一中的公式的基础上可得出截割过程中所有截割齿总受力随截深变化的关系公式y＝c(a)e^x+b，c也为可变参数；

步骤三：对截割齿破煤过程中截割力进行分析，通过建立截割齿破煤过程截割力力学模型进行截割过程分析；

步骤四：确定截割齿与煤壁接触关系，由步骤三中力学模型的截煤过程可知截割阻力主要由截割齿齿身的半圆柱面与煤壁的接触产生，截割齿安装部分并不与煤壁直接接触，所以截割过程中截割齿与煤壁接触长度为齿身长度Lj；

步骤五：计算单个截割齿截割过程中与煤壁的接触面积，将截割齿齿身段简化为一规则型圆锥，此圆锥的长度为截割齿齿身长Lj，圆锥底面直径为齿身最大处的直径D，此圆锥半锥面面积约为

步骤六：确定截割齿接触面面积和与截深的关系，根据总作用力的大小等于总接触面积与平均作用力的乘积，为保证所有截割齿与煤壁接触面单位面积作用力保持不变，随着截深的增加，截割齿与煤壁接触面面积总和也应成一指数函数关系增加，且函数的变化规律应与截割齿总受力与截深变化规律相同，且接触面面积总和与截割阻力成一固定倍数关系，在步骤二中的公式基础上乘一参数即可得到接触面面积总和与截深的关系公式y＝cd(a)e^x+b，d为可变参数；

步骤七：计算出截割齿齿身直径，设截割齿在履带板上从外端到内端布置时截割齿齿身最大直径依次为D1、D2、D3、D4、D5……，相应的齿身长度依次为Lj1、Lj2、Lj3、Lj4、Lj5……，则各截割齿与煤壁接触面面积分别为

由截割过程中截齿与煤壁接触面面积总和随截深变化关系为y＝cd(a)e^x+b，对于最外截齿来说，即齿身最大直径为D1的截割齿，此时截割深度x等于零，因此有：

S₁＝cd(a)+b

S₁+S₂＝cd(a)·e^△L+b

S₁+S₂+S₃＝cd(a)·e^2△L+b

S₁+S₂+S₃+S₄＝cd(a)·e^3△L+b

S₁+S₂+S₃+S₄+S₅＝cd(a)·e^4△L+b

……

其中ΔL为截线距大小，截线距是指两条截割线间的距离，链式截割部中即为履带板上相邻两截齿之间的距离，根据上述公式可依次计算得出截齿齿身最大直径依次为D1、D2、D3、D4、D5……的值，即履带板上所处不同截深位置处的截齿所对应的几何尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种采煤机链式截割部截割齿几何尺寸的设计方法，其特征在于，步骤三中的分析过程如下：当截割齿以截割速度v_t截割煤体时，在接触处产生很高的压应力，并集中在很小的范围内，由于煤是脆性物质；当接触应力达到极限值时，煤炭开始被局部压碎，形成很细的粉末，并形成煤炭密实核，在截割齿截入的过程中，煤粉密实核部分将以很高的速度沿齿身锥面排出，从而压碎范围不断扩大，密实核也不断扩大，核内的煤粉应受到挤压而积聚能量，并向密实核四周的煤体施压，截割齿的截割阻力的也不断扩大；当密实核扩大到煤与截割齿前面接触点D时，该处煤即发生小块脱落，密实核中的区域Ⅱ的煤粉因受到强烈的压缩而高速喷出，使积聚的能量突然释放，截割阻力也突然减小，煤粉在高速喷出时，与截割齿齿身锥面发生强烈摩擦，致使在截割齿齿尖部分形成聚集物区域Ⅰ，它粘附在截割齿齿尖并与截割齿一起运动，同时对煤体产生楔入作用，截割齿继续前进，密实核体积又扩大，截割阻力也继续扩大，直到再次发生小块剥落及煤粉喷出时，截割阻力下降，最后截割齿运动到B点时，密实核内产生足够大的压力，是煤体内产生剪切裂纹，该裂纹随截割齿前进并扩大到媒体表面，此时截割阻力达到最大值，进而BCD沿裂纹BC剥落，密实核随之消失，截割阻力降低到最小。

3.根据权利要求1或2所述的一种采煤机链式截割部截割齿几何尺寸的设计方法，其特征在于，步骤七的设计过程中的最外截割齿齿身直径不应过小，可通过调整参数b、c、d控制最小截割齿齿身直径的大小。