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日志

 
 

《尘封琐忆》“研发经历”(10)高工论文:1500~2000m3/h斗轮挖掘机切割阻力的研究  

2012-09-29 23:51:59|  分类: 尘封琐忆 |  标签: |举报 |字号 订阅

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斗轮挖掘机作业过程中大部分能量消耗在对作业介质的切割和挖掘上。通过对斗轮挖掘机工作部件和作业介质相互作用过程的分析,能够找到设计高效工作部件的方法和降低挖掘机作业能量消耗的途径,更合理的确定斗轮挖掘机的总效率。

    本文旨在研究斗轮挖掘机切割原型煤和泥灰岩等作业介质的切割阻力,通过正交试验设计和相似理论分析,辅以大量的试验室模型试验,建立斗轮挖掘机切割阻力的预测公式,将其作为斗轮挖掘机总体设计的重要依据。最后,经现场整机切割阻力性能参数测试加以验证。

1.  研究参数的确定

在斗轮切割作业介质的过程中,切割力一般包括:切割介质的力Pp;沿工作部件表面或沿斗内移动介质的力PT;斗轮与介质运动时的摩擦力Pf。切割介质的力消耗在:克服切削刃口磨钝部分挤压介质的阻力;切削刃口前刃面在运动方向上撕裂、剪切和压缩介质的阻力;克服切片沿斗齿移动的摩擦阻力;斗齿沿介质的摩擦阻力;切片破断时释放的破断阻力。

切割力(切向分力)P1的一般表达式为:P1  =  Pp  +  PT  + Pf

影响切割力的因素包括:切割介质的物理特性、斗轮的运动参数和几何参数(见图1)。

斗轮的运动参数为斗轮回转速度n、动臂摆动速度ω。斗轮的几何参数为斗轮直径D、挖掘斗个数N、切削深度H、切削宽度B、切削后角β、切削楔角α、斗齿的齿宽a和斗齿的间距b等。

《尘封琐忆》“研发经历”(10)高工论文 - 一枕清霜 - .

斗轮直径D是斗轮驱动功率的主参数。挖掘斗个数N、斗齿尺寸a和铲斗尺寸B是驱动功率和生产率的主参数,试验室模拟试验难以分析研究。齿刃夹角α受斗齿结构、斗齿寿命等诸多因素制约,基本上为一定值。因此,作为切削几何参数应以切削深度H、切削宽度B、切削后角β为主要研究对象。

运动参数中,动臂回转摆动速度ω决定切削宽度B的大小,B值的大小一定程度上反映了ω值。因此,运动参数仅以斗轮回转速度n为主要研究对象。将n转化为斗齿的线切割速度

2.预测模型的建立

    斗轮的切割机理是非常复杂的。切割介质本身的物理力学因素有:容重γ、含水量和劈裂值等。为了简化分析,选择劈裂值来表示介质的力学参数,并选择切削宽度B、切削深度H、切削速度v、切削刀具后角β以及切削面积A和切削深宽比H/B作为主要影响切削力大小的斗轮几何参数和运动参数。

    选择以上各参数作为因此分析的物理量和几何量。根据因此分析的Π定理(伯金汗定理),建立无因次的Π方程的一般表达式为:

f(Π1,Π2,Π3,Π4,Π5=0                     (1)

     fp/KH,γB2/Kv2/gH,β,H/B=0            (2)

式中,p为切割力值,K为劈裂值,g为重力加速度。

    将式(2)中各项做单项式处理,这样Π方程经变化和推导后,求得单位线长度切割力 为:

  (3)

    式中ξ为系数。由公式可以看出,单位线长度上切割阻力的分析式是一个与被切削介质的力学参数、切削几何参数和运动参数有关的单项式。

    一定比例的模拟刀具切割试样,模拟比为m,单位线度切割力可写成:

        (4)

    上式也可改写成:

                  (5)

这样可通过试验设计将上式转化为四元线性回归矩阵方程:Y=XC+ε。C5个待定的参数:ζ、α、β、γ和θ。ε为五维随机向量,且服从正态分布N0,σ)。C可通过大量的试验求得。

3. 试验准备

3.1 试样的选取

    试样选用现场实际开挖断层的煤、泥灰岩和煤夹石。在现场取出试样后,立即用“毛突纸”包好、蜡封,装入塑料袋放入体积比试样大的木箱中央,四周用预先制做的流体石膏浇好固定。试样分切削用(体积为300×400×300mm)和劈裂试验用(110×110×120mm)两种。

3.2 刀具和试验装置

    试样刀具有三种八个型号,模拟斗唇:1/151/201/251/30;模拟斗齿:1/101/641/5;模拟斗:1/20.

    试验装置分大小两种。一为B665牛头铇床;一为自行设计的“煤岩剪切试验台”。前者测力元件和刀具安装在刀架上,刀架作往复运动切削试样;后者用于大尺寸试样试验,测力元件和刀具固定不动,试样在液压缸的推动下往复运动,其上装有测取XY轴二维力测试传感元件和测速用的光电测速装置。牛头铇床为有级调速,煤岩剪切试验台是液压驱动无级调速。

    煤、泥灰岩、煤夹石的物理参数对每个被试的断层上都测取如下参数:劈裂值K、含水量、容重γ。其中含水量用来衡量鉴别试样贮存的质量和被试件可试的信赖程度。

3.3 正交试验法

    试验设计采用正交法,分析斗轮挖掘机切削参数对切割阻力的影响,找出影响切割阻力的主要因素和切削参数的最优水平。正交试验采用HB、ν和β四个因素,每个因素选择三个水平,组成四因素三水平试验。因素水平如表1,选用 正交表。试验中选用了1/201/25两种模拟斗。其中1/25模拟斗人为的使刃部磨钝,这样可以获得对刃部磨钝后对切割阻力影响的试验信息。

1

模拟斗

因素

水平

Bm

cm

Hm

cm

ν

m/s

β

1/20

1

1.5

0.6

0.128

4

2

2.0

1.5

0.257

10

3

3.0

2.0

0.540

16

1/25

1

1.2

0.5

0.128

4

2

1.8

1.2

0.257

10

3

2.5

1.6

0.540

16

    试验采集三组参数:切割力的水平分力、垂直分力和切削速度。

3.4 试验用仪表

    一次仪表包括二维力八角环、光电测速头。

    应变仪用两种型号:用YJD-1型应变仪做八角环的标定,用DY-3型动态应变仪做测试。示波器采用SC-18型光线示波器。

3.5 现场整机测试准备

    现场整机切割力试验需要测取挖掘斗切向阻力、法向阻力、侧向阻力、斗轮轴扭矩、铲斗角位移、斗臂回转角位移、斗臂回转电机电压和电流。此外还需要测试与切削参数有关的数据,包括最大切削厚度、斗臂水平倾角和切削高度等。

    斗轮轴扭矩采用应变测量、无接触传输法测定。测量的线路框图如图2所示。切削阻力试验仪器的连接如图3所示。

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4. 试验数据处理

4.1 试验室测取的数据

    将试验室测取的数据代入由公式(5)演变的矩阵公式,并通过计算机进行处理,求出各参数ζ、α、β、γ和θ,可求得煤的线切割阻力预测式:

  (6)

上式中 一项近似为1,故未写出。

    求各回归系数进行统计性检查,各统计量F如表2

2

方差来源

统计量

F

显著性

劈裂值K

切削面积A

深宽比H/B

2.58

0.36

10.99

 

显著

 

很显著

    2说明劈裂值K,深宽比H/B均具有较高显著性,切削面积较差。公式中系数1.15~1.25是切削刀具磨损系数。

    由切削力预测式对照小龙潭布昭垻矿区不同断层的劈裂值K,计算1500~2000m3/h斗轮挖掘机单位线长度切割阻力值如表3

3

试样名称

取样地点

断层高度

K

Kα

n

H/B)θ

PL(×10N/cm

刀具状态系数1.15

刀具状态系数1.25

0.5

1

2

H/B)θ

H/B)θ

0.5

1

2

0.5

1

2

褐煤

小龙潭

1010

73.8

15.7

1

0.95

1

1.06

84.8

89.5

94.2

92.6

97.3

99.5

1040

63.97

14.3

1

0.95

1

1.06

77.2

81.5

85.8

84.4

88.7

93

1060

76.7

16.1

1

0.95

1

1.06

86.9

91.8

96.6

95

99.8

104.7

布昭垻

1060(西)

62.1

14.1

1

0.95

1

1.06

76.1

80.4

84.6

83.2

87.4

91.7

1060(北)

70

15.2

1

0.95

1

1.06

82.1

86.4

91.2

89.2

94.2

98.8

1090

60

14.4

1

0.95

1

1.06

77.8

82.1

86.2

85

89.2

93.6

泥灰岩

小龙潭

1080

33.3

9.4

1

0.95

1

1.06

50.8

53.6

56.4

55.5

58.3

61.1

布昭垻

1080

15.1

5.7

1

0.95

1

1.06

30.8

32.5

34.2

33.6

53.3

37.1

煤夹石

小龙潭

1010

302.8

38.7

1

0.95

1

1.06

209

220.6

232.2

228.3

239.9

251.6

布昭垻

1010

276.9

36.6

1

0.95

1

1.06

196

208.6

219.6

215.9

226.9

237.6

考虑切割比阻力的均值,通过预测式(6)的计算,选用单位线长度切割阻力PL=1200N/cm

4.2  现场测试数据

    对各工况的切割比阻力,采用频率分布分析法,求得切割比阻力——频率曲线;切割比阻力——累积频率曲线和累积频率为95%的切割比阻力值,计算结果如表4

    测力销轴法、扭矩法和电功率法的测量结果(数据均取自ψ=0的区段)是接近的,只是因为斗轮轴的直径太大,扭矩法的测量精度不如测力销轴法高。

4  各工况的切割比阻力

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5. 结论

5.1 煤的切割力预测式(6)经整机切割力测试验证用来表示切割力大小是正确的。公式中考虑了模拟比的影响,是以1500~2000m3/h斗轮挖掘作为原型,故在使用时应予注意。

5.2 切割力值主要受作业介质的力学特性影响。同时,斗轮的几何参数的合理设计对降低斗轮挖掘机的挖掘功率消耗具有十分重要的意义。

 5.3 选定切割比阻力为1200N/cm作为小龙潭1500~2000m3/h斗轮挖掘机计算主要参数是科学合理的。

 

参考文献

1.  斗轮挖掘机编译组.  斗轮挖掘机. 北京:煤炭工业出版社,1979

2.  牛长山等译 . 试验设计方法 . 北京:机械工业出版社,1985

注:本文被刊登在《工程机械》杂志19978);收稿日期:1997-02-18

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