CN105424337A - 单齿旋转切削破岩机理试验方法 - Google Patents

单齿旋转切削破岩机理试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单齿旋转切削破岩机理试验方法，1)根据截齿的型号及尺寸确定其旋转半径r，制作岩样；2)根据扭矩转速角度传感器及数据采集系统确定截齿转速n，确定截齿切削速度v；3)调整切削厚度调节油缸，并借助刻度尺Ⅱ确定最大切削厚度hmax，由扭矩转速角度传感器及数据采集系统确定截齿瞬时位置得到瞬时切削厚度；4)进行一次完整的切削过程，通过数据采集系统采集压力传感器的信号得到径向力Fr，扭矩转速角度传感器采集扭矩信号T，可以得到切削力Fc。本发明主要用于研究单个截齿切削月牙形岩石切屑形成机理，切削力及径向力变化规律，切削速度对切削参数的影响等。

Description

单齿旋转切削破岩机理试验方法
技术领域
本发明涉及截齿破岩机理研究领域，尤其涉及一种单齿旋转切削破岩机理试验方法。
背景技术
机械切削破岩由于其效率高，机器灵活已经被广泛应用于采矿及各地下工程领域。单齿破岩机理是刀具和破岩机械工作机构设计的基础，也是机器破岩能力评定及选型的基础，因此备受业界关注。
文献BilginN,DemircinMA,CopurH,BalciC,TuncdemirH,AkcinN.Dominantrockpropertiesaffectingtheperformanceofconicalpicksandthecomparisonofsomeexperimentalandtheoreticalresults.IntJRockMechMinSci2006；43:139-156.使用的全尺寸直线切削试验台，其可以测试截齿在不同安装参数及定切削厚度下直线切削时切削力、径向力等参数，利用此试验台，切削力与切削比能耗与各切削参数及岩石强度的关系得到了深入的研究。其特点是直线切削，但是采掘机械工作机构上截齿破岩切削的为月牙形状，并非直线试验中的定切削厚度，因此这与采掘机械破岩实际情况不相吻合。文献：AbuBakarMZ,GertschLS.Evaluationofsaturationeffectsondragpickcuttingofabrittlesandstonefromfullscalelinearcuttingtests.TunnUndergrSpaceTechnol2013；34:124-134.及王春华，丁仁政，李贵轩，郑连宏.截齿截割煤体变形破坏过程模拟试验.煤炭学报，2006；31(1)：121-124.中提到试验台也都是类似原理。文献KimE,RostamiJ,SwopeC,ColvinS.Studyofconicalbitrotationusingfull-scalerotarycuttingexperiments.JMinSci2012；48(4):717-731.中提到的虽然是旋转切削试验台，但进给方式与实际情况不尽相同。
专利CN201210442183和文献：刘送永，杜长龙，崔新霞.采煤机滚筒截齿排列试验研究.中南大学学报，2009,40(5)：1281-1287.提到的试验设备均为多齿联合切削，用以研究采掘机械工作机构性能的试验设备。专利201210421825.1、201310341432.4、201220584454.4以及专利201020578699.7等公开的试验台从原理和试验方法上都无法研究单个截齿切削月牙形煤岩时切削形成机理、切削力以及径向力等切削机理相关内容的研究。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种单齿旋转切削破岩机理试验方法，该方法可以研究不同切削速度、切削厚度、截齿切削角，截齿倾斜角等参数对切削力、切屑形状及分布等参数的影响；能更好的深入研究单个截齿切削月牙形煤岩时的切削机理，从而为采掘机械工作机构的设计提供基础数据。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
单齿旋转切削破岩机理试验方法，在该方法中采用了一种单齿旋转切削破岩机理试验装置，所述单齿旋转切削破岩机理试验装置包括数据采集系统、液压系统、截齿支架总成和岩样支架总成；
所述数据采集系统包括扭矩转速角度传感器、压力传感器、数据采集器和计算机；所述扭矩转速角度传感器采集的扭矩信号、转速信号和截齿位置角度信号输入数据采集器，所述压力传感器采集的压力信号输入数据采集器，所述数据采集器采集的信号输入计算机；
所述液压系统包括多路阀、变量泵、油箱、截线距调节油缸、切削厚度调节油缸、旋转油缸和驱动电机；所述驱动电机带动变量泵，所述变量泵通过油管与多路阀连接，所述截线距调节油缸、切削厚度调节油缸和旋转油缸分别通过油管与多路阀对应连接；
所述截齿支架总成包括支架座、截齿座、截齿、旋转座、过渡轴Ⅰ和过渡轴Ⅱ；所述压力传感器安装在截齿座和旋转座之间；所述旋转油缸依次通过过渡轴Ⅰ、扭矩转速角度传感器和过渡轴Ⅱ驱动截齿；
所述岩样支架总成包括岩样盒、岩样、岩样滑座、总滑座、底座、刻度尺Ⅰ和刻度尺Ⅱ；所述岩样设置在岩样盒中，所述岩样盒安装在岩样滑座上，所述切削厚度调节油缸的活塞与岩样盒连接并可推动岩样盒在岩样滑座上水平移动；所述岩样滑座安装在总滑座上，所述总滑座安装在底座上，所述截线距调节油缸的活塞与岩样滑座连接并可推动岩样滑座在总滑座上水平移动，所述截线距调节油缸的活塞和切削厚度调节油缸的活塞垂直，所述截线距调节油缸的活塞与过渡轴Ⅰ的中心线平行；所述刻度尺Ⅰ固定设置在截线距调节油缸的活塞的一侧并与截线距调节油缸的活塞平行，所述刻度尺Ⅱ固定设置在切削厚度调节油缸的活塞的一侧并与切削厚度调节油缸的活塞平行；所述截齿与岩样对应；
该方法包括如下步骤：
1)根据截齿的型号及尺寸确定其旋转半径r，并根据截齿的旋转半径制作岩样并安装在岩样盒中；
2)根据扭矩转速角度传感器输出的截齿转速n，调整变量泵到设定转速，并根据公式v＝2πnr确定截齿切削速度v；
3)调整切削厚度调节油缸，并借助刻度尺Ⅱ确定最大切削厚度hmax，由扭矩转速角度传感器确定截齿瞬时位置根据公式得到瞬时切削厚度；
4)操纵多路阀进行一次完整的切削过程，通过数据采集系统中的压力传感器得到径向力Fr，扭矩转速角度传感器得到扭矩信号T，根据公式Fc＝T/r可以得到切削力Fc。
本发明的技术效果是：截齿在旋转油缸的带动下旋转切削事先预备好的带有与截齿旋转半径相同的圆形缺口的岩样；可以通过切削厚度调节油缸预先调整好最大切削厚度，用调速阀调整旋转油缸的旋转速度从而调整切削速度等，其可以研究不同切削速度、切削厚度、截齿切削角，截齿倾斜角等参数对切削力、切屑形状及分布等参数的影响；能更好的深入研究单个截齿切削月牙形煤岩时的切削机理，从而为采掘机械工作机构的设计提供基础数据。
附图说明
图1为单齿旋转切削破岩机理试验装置的主视图；
图2为单齿旋转切削破岩机理试验装置的俯视图；
图3为数据采集系统的流程图；
图4为液压系统的结构示意图。
附图中：101—多路阀；102—变量泵；103—油箱；104—截线距调节油缸；105—切削厚度调节油缸；106—旋转油缸；107—驱动电机；108—过滤器；109—溢流阀；201—支架座；202—截齿座；203—截齿；204—压力传感器；205—旋转座；207—过渡轴Ⅰ；208—扭矩转速角度传感器；209—过渡轴Ⅱ；301—岩样盒；302—岩样；303—岩样滑座；304—总滑座；305—底座；306—刻度尺Ⅰ；307—刻度尺Ⅱ。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。
单齿旋转切削破岩机理试验方法，在该方法中采用了一种单齿旋转切削破岩机理试验装置。
单齿旋转切削破岩机理试验装置的结构如图1、2所示，单齿旋转切削破岩机理试验装置包括数据采集系统、液压系统、截齿支架总成和岩样支架总成。
数据采集系统的流程如图3所示，数据采集系统包括扭矩转速角度传感器208、压力传感器204、数据采集器和计算机；扭矩转速角度传感器208采集的扭矩信号、转速信号和截齿位置角度信号输入数据采集器，压力传感器采集的压力信号输入数据采集器，数据采集器采集的信号输入计算机。
液压系统的结构如图4所示，液压系统包括多路阀101、变量泵102、油箱103、截线距调节油缸104、切削厚度调节油缸105、旋转油缸106、驱动电机107、过滤器108和溢流阀109。驱动电机107带动变量泵102，变量泵102通过油管与多路阀101连接，截线距调节油缸104、切削厚度调节油缸105和旋转油缸106分别通过油管与多路阀101对应连接(即截线距调节油缸104、切削厚度调节油缸105和旋转油缸106分别对应多路阀101中的一片控制阀)。
截齿支架总成包括支架座201、截齿座202、截齿203、旋转座205、过渡轴Ⅰ207和过渡轴Ⅱ209。压力传感器204安装在截齿座202和旋转座205之间；旋转油缸106依次通过过渡轴Ⅰ207、扭矩转速角度传感器208和过渡轴Ⅱ209驱动截齿203；岩样支架总成包括岩样盒301、岩样302、岩样滑座303、总滑座304、底座305、刻度尺Ⅰ306和刻度尺Ⅱ307；岩样302设置在岩样盒301中，岩样盒301安装在岩样滑座303上，切削厚度调节油缸105的活塞与岩样盒301连接并可推动岩样盒301在岩样滑座303上水平移动；岩样滑座303安装在总滑座304上，总滑座304安装在底座305上，截线距调节油缸104的活塞与岩样滑座303连接并可推动岩样滑座303在总滑座304上水平移动，截线距调节油缸104的活塞和切削厚度调节油缸105的活塞垂直，截线距调节油缸104的活塞与过渡轴Ⅰ207的中心线平行；刻度尺Ⅰ306固定设置在截线距调节油缸104的活塞的一侧并与截线距调节油缸104的活塞平行，刻度尺Ⅱ307固定设置在切削厚度调节油缸105的活塞的一侧并与切削厚度调节油缸105的活塞平行；截齿203与岩样302对应。
单齿旋转切削破岩机理试验方法，该方法包括如下步骤：
1)根据截齿203的型号及尺寸确定其旋转半径r，并根据截齿203的旋转半径制作岩样302并安装在岩样盒301中。
2)根据扭矩转速角度传感器208输出的截齿转速n，调整变量泵102到设定转速，并根据公式v＝2πnr确定截齿切削速度v。
3)调整切削厚度调节油缸105，并借助刻度尺Ⅱ307确定最大切削厚度hmax，由扭矩转速角度传感器208确定截齿瞬时位置根据公式得到瞬时切削厚度。
4)操纵多路阀101进行一次完整的切削过程，通过数据采集系统中的压力传感器204得到径向力Fr，扭矩转速角度传感器208得到扭矩信号T，根据公式Fc＝T/r可以得到切削力Fc。
在本实施例中，岩样302为半圆状，其半径与截齿旋转半径相同，且安装在同一水平面上。本方法主要用于研究单个截齿切削月牙形岩石切屑形成机理，切削力及径向力变化规律，切削速度对切削参数的影响等。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.单齿旋转切削破岩机理试验方法，其特征在于，在该方法中采用了一种单齿旋转切削破岩机理试验装置，所述单齿旋转切削破岩机理试验装置包括数据采集系统、液压系统、截齿支架总成和岩样支架总成；
所述数据采集系统包括扭矩转速角度传感器(208)、压力传感器(204)、数据采集器和计算机；所述扭矩转速角度传感器(208)采集的扭矩信号、转速信号和截齿位置角度信号输入数据采集器，所述压力传感器采集的压力信号输入数据采集器，所述数据采集器采集的信号输入计算机；
所述液压系统包括多路阀(101)、变量泵(102)、油箱(103)、截线距调节油缸(104)、切削厚度调节油缸(105)、旋转油缸(106)和驱动电机(107)；所述驱动电机(107)带动变量泵(102)，所述变量泵(102)通过油管与多路阀(101)连接，所述截线距调节油缸(104)、切削厚度调节油缸(105)和旋转油缸(106)分别通过油管与多路阀(101)对应连接；
所述截齿支架总成包括支架座(201)、截齿座(202)、截齿(203)、旋转座(205)、过渡轴Ⅰ(207)和过渡轴Ⅱ(209)；所述压力传感器(204)安装在截齿座(202)和旋转座(205)之间；所述旋转油缸(106)依次通过过渡轴Ⅰ(207)、扭矩转速角度传感器(208)和过渡轴Ⅱ(209)驱动截齿(203)；
所述岩样支架总成包括岩样盒(301)、岩样(302)、岩样滑座(303)、总滑座(304)、底座(305)、刻度尺Ⅰ(306)和刻度尺Ⅱ(307)；所述岩样(302)设置在岩样盒(301)中，所述岩样盒(301)安装在岩样滑座(303)上，所述切削厚度调节油缸(105)的活塞与岩样盒(301)连接并可推动岩样盒(301)在岩样滑座(303)上水平移动；所述岩样滑座(303)安装在总滑座(304)上，所述总滑座(304)安装在底座(305)上，所述截线距调节油缸(104)的活塞与岩样滑座(303)连接并可推动岩样滑座(303)在总滑座(304)上水平移动，所述截线距调节油缸(104)的活塞和切削厚度调节油缸(105)的活塞垂直，所述截线距调节油缸(104)的活塞与过渡轴Ⅰ(207)的中心线平行；所述刻度尺Ⅰ(306)固定设置在截线距调节油缸(104)的活塞的一侧并与截线距调节油缸(104)的活塞平行，所述刻度尺Ⅱ(307)固定设置在切削厚度调节油缸(105)的活塞的一侧并与切削厚度调节油缸(105)的活塞平行；所述截齿(203)与岩样(302)对应；
该方法包括如下步骤：
1)根据截齿(203)的型号及尺寸确定其旋转半径r，并根据截齿(203)的旋转半径制作岩样(302)并安装在岩样盒(301)中；
2)根据扭矩转速角度传感器(208)输出的截齿转速n，调整变量泵(102)到设定转速，并根据公式v＝2πnr确定截齿切削速度v；
3)调整切削厚度调节油缸(105)，并借助刻度尺Ⅱ(307)确定最大切削厚度hmax，由扭矩转速角度传感器(208)确定截齿瞬时位置根据公式得到瞬时切削厚度；
4)操纵多路阀(101)进行一次完整的切削过程，通过数据采集系统中的压力传感器(204)得到径向力Fr，扭矩转速角度传感器(208)得到扭矩信号T，根据公式Fc＝T/r可以得到切削力Fc。
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