一种掘锚同步一体机切割部切削性能测试装置及测试方法与流程

本发明涉及一种隧道开挖装备切削性能研究领域，具体涉及一种掘锚同步一体机切割部切削性能测试装置及测试方法。

背景技术：

近年来随着我国煤炭事业的发展和矿用装备科技水平的提高，掘锚同步一体机在煤矿开采领域内得到广泛应用。在掘锚同步一体机掘进过程中，切割部是掘锚同步一体机最主要的部件之一，其切削性能直接影响着煤矿开采工作的可靠性、经济性、快速性。因此设计用于研究掘锚同步一体机切割部切削性能测试装置及测试方法显得至关重要。

通过对国内外相关文献及资料检索发现，目前国内外多所机构都对采掘装备切削性能开展了实验研究。国内中国矿业大学、重庆大学、辽宁工程技术大学、黑龙江科技学院等高校都对采掘装备切削性能进行了一定研究。中国矿业大学研制了自己的煤岩破碎试验台，该试验台可对采煤机螺旋滚筒破碎煤岩时的性能进行研究；重庆大学发明专利cn205079940u，名称为：单齿旋转切削破岩机理试验装置，该试验装置可以模拟单个刀具旋转破煤，并且速度可调；辽宁工程技术大学发明专利cn106679964a，名称为：一种薄煤层采煤机螺旋滚筒截割模拟试验装置，该装置可实现对薄煤层采煤机螺旋滚筒截割时的载荷、刀具温度场、粉尘生成量、煤体变形破坏过程全面了解；黑龙江科技学院发明专利cn102967476a，多刀具参数可调式旋转截割煤岩实验装置，该装置可实现采掘机械煤岩截割时的三向力和截割扭矩的测试。

国外波兰矿业冶金学院、韩国工业技术研究院、土耳其伊斯坦布尔科技大学等机构也对采掘机械切削性能进行了一些实验研究。文献【parametricfactorsforthetangential-rotarypicksqualityassessment】提到的波兰矿业冶金学院研制的刀具旋转试验台，文献【anewlinearcuttingmachineforassessingtherock-cuttingperformanceofapickcutter】提到的韩国工业技术研究院研制的刀具线性截割试验台，文献【dominantrockpropertiesaffectingtheperformanceofconicalpicksandthecomparisonofsomeexperimentalandtheoreticalresults】提到的土耳其伊斯坦布尔科技大学研制的刀具破煤试验台。

以上国内外采掘装备破煤试验台或者仅限于单刀具直线截割研究，或者限于采煤机螺旋滚筒切削性能的研究，掘锚同步一体机切割部与采煤机螺旋滚筒的结构存在本质的不同，其齿座直接焊接在切割部上，而不是焊接在螺旋叶片上，因此很有必要设计一种掘锚同步一体机切割部的切削性能测试装置及其测试方法。该测试装置可实现对切割部切削岩土过程的动态监测，掌握掘锚同步一体机切割部的切削性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种掘锚同步一体机切割部切削性能测试装置及测试方法，实现对切割部切削岩样过程的动态监测，掌握掘锚同步一体机切割部的切削性能。

本发明主要是通过以下方案实现的：本发明主要包括垂直油缸、顶梁、立柱、活动横梁、切割部安装座、切割部、联轴器、扭矩传感器、连接轴、液压马达、岩样、岩土仓、横移油缸、岩土仓底座、导轨副、纵移油缸、底座、刀具和测试系统。该装置岩土仓底座安装在导轨副上，与纵移油缸连接，由纵移油缸实现岩土仓纵向方向的进给运动；岩土仓放置在岩土仓底座上，岩土仓内放有岩样；岩土仓与横移油缸连接，横移油缸固定在岩土仓底座上，实现岩土仓横向方向的进给运动；岩土仓两侧分别布置有垂直地面的立柱，立柱下端由底座连接，立柱顶端固定着一根顶梁，形成一个龙门架结构；顶梁上固定一个垂直油缸，实现切割部垂直方向的进给运动。使用2个联轴器，将扭矩传感器安装在动力源液压马达和切割部之间，切割部连接在切割部安装座下方的双侧可拆卸式支架之间，液压马达固定在切割部安装座的另一端，2个联轴器和扭矩传感器与切割部和液压马达同轴连接。

通过所述垂直油缸竖直方向的进给运动及液压马达带动切割部的旋转运动，结合横移油缸带动岩土仓横向方向的进给运动及纵移油缸带动岩土仓纵向方向的进给运动，可模拟掘锚同步一体机切割部旋转切入岩样的真实工况。

所述切割部中心轴安装在切割部双侧可拆卸式支架中间，可拆卸式支架便于切割部的拆装；所述扭矩传感器安装在扭矩传感器支架上；所述液压马达安装在马达支架上；所述马达支架、扭矩传感器支架、切割部双侧可拆卸式支架与切割部安装座固定连接。

所述切割部上设置有刀具、齿座和三向力传感器，与传统采掘装备需要将齿座焊接在螺旋叶片上不同，所述齿座直接焊接在筒体上；所述刀具通过卡簧固定在齿座上，易于及时更换磨损刀具；所述三向力传感器安装在刀具齿柄末端靠近的齿座处，接收刀具切削岩样时的受力数据。

该切削性能测试方法包括如下步骤：

1)先用纵移油缸将岩土仓推到最前端，将岩样放入岩土仓内，岩样放置平稳后将岩土仓拉回至切割部切削位置；

2)将高速摄像机架设在可完全呈现岩土试样切削区的位置，将热成像仪架设在能够准确监控切削区附近热场的位置，启动高速摄像机及热成像仪；

3)通过改变液压系统压力、流量来改变截割深度、截割速度等参数，驱动垂直液压油缸向下进给，给切割部一个垂直推进的静压载荷，驱动液压马达，使切割部能够转动压入岩样，并且使纵移油缸同时收回或伸出，产生纵向进给速度，使切割部能够连续转动破岩；

4)通过切割部对岩样进行逐层切削，切削时保持切割部侵入岩样深度一致，使切割部沿岩土仓纵向方向逐层切削，从而实现切割部在岩土仓内能够多次切削；

5)通过三向力传感器及动态应变仪记录刀具的受力变化，通过扭矩传感器记录切割部的负载变化，试验结束后，收集岩土碎块并保存测量的数据。

本发明能够模拟实现掘锚同步一体机切割部的旋转破岩，利用三向力传感器及动态应变仪记录刀具受力情况，利用扭矩传感器记录切割部负载情况，利用高速摄像机记录切割部切削岩土情况，利用热成像仪记录岩土切削区域热场温度变化。该试验装置为进一步设计和优化掘锚同步一体机切割部、提高切割部切削性能提供重要的依据。

附图说明

图1为切割部切削性能测试装置主视图；

图2为切割部安装结构示意图；

附图中：1-垂直油缸、2-顶梁、3-立柱、4-活动横梁、5-切割部安装座、6-切割部、6a-可拆卸式支架、6b-刀具、6c-齿座、6d-三向力传感器、6e-筒体、7-联轴器、8-扭矩传感器、8a-扭矩传感器支架、9-连接轴、10-液压马达、10a马达支架、11-岩样、12-岩土仓、13-横移油缸、14-岩土仓底座、15-导轨副、16-纵移油缸、底座17。

具体实施方式

本发明主要包括垂直油缸1、顶梁2、立柱3、活动横梁4、切割部安装座5、切割部6、联轴器7、扭矩传感器8、连接轴9、液压马达10、岩样11、岩土仓12、横移油缸13、岩土仓底座14、导轨副15、纵移油缸16、刀具17和测试系统组成。该装置岩土仓底座14安装在导轨副15上，与纵移油缸16连接，由纵移油缸16实现岩土仓12纵向方向的进给运动；岩土仓12放置在岩土仓底座14上，岩土仓12内放有岩样11；岩土仓12与横移油缸13连接，横移油缸13固定在岩土仓底座14上，实现岩土仓12横向方向的进给运动；岩土仓12两侧分别布置有垂直地面的立柱3，立柱3下端由底座17连接，立柱3顶端固定着一根顶梁2，形成一个龙门架结构；顶梁2上固定一个垂直油缸1，实现切割部6垂直方向的进给运动。使用联轴器7与联轴器9，将扭矩传感器8安装在动力源液压马达10和切割部6之间，切割部6连接在切割部安装座5下方的双侧可拆卸式支架6a之间，液压马达10固定在切割部安装座5的另一端，联轴器7、联轴器9和扭矩传感器8与切割部6和液压马达10同轴连接。

具体工作过程是：

1)先用纵移油缸16将岩土仓12推到最前端，将岩样11放入岩土仓12内，岩样11放置平稳后将岩土仓12拉回至切割部6切削位置；

2)将高速摄像机架设在可完全呈现岩样切削区的位置，将热成像仪架设在能够准确监控切削区附近热场的位置，启动高速摄像机及热成像仪；

3)通过改变液压系统压力、流量来改变截割速度、截割深度等参数，驱动垂直液压油缸1向下进给，给切割部6一个垂直推进的静压载荷，驱动液压马达，使切割部6能够转动压入岩样11，并且使纵移油缸16同时收回或伸出，产生纵向进给速度，使切割部6能够连续转动破岩；

4)通过切割部6对岩样11进行逐层切削，切削时保持切割部侵入岩样11深度一致，使切割部6沿岩土仓12纵向方向逐层切削，从而实现切割部6在岩土仓12内能够多次切削；

5)通过三向力传感器及动态应变仪记录刀具的受力变化，通过扭矩传感器记录切割部的负载变化，试验结束后，收集岩土碎块并保存测量的数据。

本发明能够模拟实现掘锚同步一体机切割部的旋转破岩，利用三向力传感器及动态应变仪记录刀具受力情况，利用扭矩传感器记录切割部负载情况，利用高速摄像机记录切割部切削岩土情况，利用热成像仪记录岩土切削区域热场温度变化。该试验装置为进一步设计和优化掘锚同步一体机切割部、提高切割部切削性能提供重要的依据。

最后应说明的是以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，但并非对其进行限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。