基于投影轮廓法的镐形截齿峰值截割力模型研究.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年月 收稿日期：；：基金项目：应急管理部信息研究院支持项目（）作者简介：于聚旺（），男，河南许昌人，高级工程师，年毕业于焦作煤炭工业学校机电专业，现从事煤矿综采高效生产技术的研究工作。引用格式：于聚旺，刘成文，邵乐飞，等 基于投影轮廓法的镐形截齿峰值截割力模型研究 煤炭科技，（）：，（）：，文章编号：（）基于投影轮廓法的镐形截齿峰值截割力模型研究于聚旺，刘成文，邵乐飞，黄逸哲，段铭钰，（河南大有能源股份有限公司，河南 义马 ；华中科技大学 数字化制造装备与技术国家重点实验室，湖北 武汉 ；湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 ）摘要：为精确预测镐形截齿峰值截割力，在考虑合金头、镐体结构和安装参数影响的基础上，采用改进的投影轮廓法，提出用于估算镐型截齿峰值截割力的理论模型。基于不同切削条件下的实验结果，通过引入其他 个现有的理论模型作为对比，评估本文模型的峰值截割力预测性能。对比发现，该模型理论结果与试验值的相关系数最高，均方根误差最低，可以更准确地预测镐形截齿峰值截割力。关键词：镐形截齿；投影轮廓法；峰值截割力中图分类号：文献标志码：，（，；，；，）：，：；：镐形截齿在矿山机械中用途广泛，是采煤机、掘进机、铣挖机等设备的主要工作元件。镐形截齿的峰值截割力（）是描述其工作性能的重要指标。在过去的几十年里，学者们根据不同岩石断裂理论推导了其峰值截割力估算模型。基于最大抗拉强度理论，提出镐形截齿 估算理论模型；修改该模型以考虑摩擦作用；引入非对称截割的前角参数，建立了 修正预测方程；高魁东等 基于弹性断裂力学理论建立 估算模型。但根据 的研究，与实验值相比，现有的理论模型对 的预测精度不高。因此，许多研究人员进行实验、理论和数值研究，修正 估算方法。基于多元回归分析、回归树模型和神经网络方法建立了 种经验模型；李雪峰 采用离散元素法计算岩石破裂的动力学过程。年第 期于聚旺，等：基于投影轮廓法的镐形截齿峰值截割力模型研究第 卷以上研究均只考虑合金头结构对 的贡献，而忽略镐体的影响，导致理论模型缺乏准确性和可靠性，估算值与实验值之间的关联性较弱。基于此，综合考虑合金头和镐体结构以及安装角度的影响，采用改进的投影轮廓法建立新理论模型以预测镐形截齿峰值截割力。基于 截割实验结果，通过回归分析和均方根误差分析以评估新模型的准确性和可靠性。基于投影轮廓法的截割力理论模型截割过程中沿镐形截齿表面的应力分布如图 所示。其主要参数包括齿尖半锥角 ，镐形截齿齿身锥角，合金头的半径 ，前角 ，安装角 和截面椭圆的长轴 。当集中应力达到岩石致裂应力时，岩石产生裂纹，随着应力的增加，裂缝迅速扩展并导致岩屑脱落。假设裂纹在截尖顶端形成，最大应力出现在截齿顶端，并且应力由齿尖向齿身线性下降，应力方向与截齿表面垂直。作用在截齿上上任一点的应力由以下公式给出。（）（）式中，为 点到齿尖的垂直距离；为切削深度；为根据 理论得到的峰值应力。由图，将合金头和镐体轮廓投射到 平面，图 齿尖应力分布示意 可得镐形截齿母线方程。，（），（）（），（）（），（）当切割深度为 时，截割线 为：（）截割剖面 的形状与截割深度有关，其截面近似于椭圆（图 ）。如图 （）所示，在截面上，截割应力作用于弧线，对应的半包围角为。如图 （）所示，是截割面与垂直平面的交线，为 中点，为半包围角，可由式（）求得。图 剖面椭圆和简化圆模型 ()（）截面椭圆的长轴和短轴如图 所示。由图 可知，为截面椭圆长轴，短半轴 对应截断线上的点 所确定的水平剖面半径。点由、两点的水平坐标和修正系数、决定。断面椭圆的长半轴 和短半轴 可用以下公式表示，式中 与 两点横坐标可联立母线方程与截割线方程求解。图 截面椭圆的长轴和短轴示意 年第 期煤炭科技第 卷 （），（），（）（），（）式中，；（）；（）；（）。为简化计算，将椭圆计算简化为圆的计算（图（），简化圆的半径可以表示为：槡（）在切割过程中，剖面 上的挤压位移垂直于截齿表面，从 点向两侧递减，由胡克定律，应力减小规律近似余弦分布，当切削深度为 ，剖面上位置角为 的应力为：()槡 (（）式中，为岩石 型断裂韧性，。根据 理论，截割过程做功需满足形成裂纹所需的表面能，可得初始裂纹尺寸为：()槡（）沿着截齿与岩石的接触面进行积分，峰值截割力积分公式可写作：()槡槡 （）试验验证与分析为验证提出的峰值截割力理论模型的可靠性，引用 对 种岩石进行的全尺寸线性截割试验结果 ，在相同的截割条件下使用本文模型与文献 模型分别计算 理论值，并与试验结果对比。通过线性回归分析与均方根误差分析，以评估各模型的预测性能。由于数据较多，本文省略计算过程，仅将得到的决定系数 与均方根误差 记录在表 中。表 各理论模型线性回归分析与均方根误差分析 理论模型 本文模型 文献 模型 文献 模型 文献 半经验模型 文献 模型 通过分析可知，本文模型的理论结果与试验结果的拟合效果最好，其相关系数最高为 ，而文献 模型的相关系数偏小。此外，所计算的均方根误差（）可评估各理论模型预测准确性。由表 可知，本文提出的理论模型的 最低，为 ；其次是文献 半经验模型，但 半经验模型的理论结果与试验值拟合效果较差，且其计算时需要试验数据支撑，适用性不强。通过以上分析可见，本文模型对镐形截齿峰值截割力的预测结果具有更高的准确性和可靠性。结语基于投影轮廓法和 强度理论，提出镐形截齿峰值截割力计算理论模型，并引用 的全尺寸截割试验结果评估本文模型的可靠性，得到结论如下。（）采用投影轮廓法建立的峰值截割力计算模型综合考虑了合金头与镐体对峰值截割力的影响，对截齿受力情况的预测更加准确，对各种截割情况均能使用。（）线性回归分析结果表明，对于多种岩样的峰值截割力预测，相比于文献 模型，本文模型的理论结果与试验值之间拟合效果最好，具有更好的线性相关性。（）均方根误差分析结果表明，相较于其他模型，本文模型对各种岩样的峰值截割力预测误差最小。参考文献（）：，：（下转第 页）年第 期彭建辉：筛管投放技术在三元煤矿瓦斯提浓工艺中的研究与应用第 卷 ，（）：许彦鹏，杨万里，栗海滔，等 钻冲护一体化水力卸压筛管护孔瓦斯高效抽采技术研究 河南理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：张学博，王豪，杨明，等 抽采钻孔失稳坍塌对瓦斯抽采的影响机制研究及应用 煤炭学报：，：韦瑞敏 松软煤体钻孔稳定性与塌孔机理分析 能源与节能，（）：，（）：徐东方，陈滔，赵鹏涛，等 便捷式两堵一注全程下筛管成套封孔技术应用 煤炭技术，（）：，（）：王小龙，刘京科 高瓦斯碎软煤层“钻护测”一体化新技术 煤矿安全，（）：，（）：武沛武，朱亚飞，赵波 囊袋式全程下筛管带压封孔技术在瓦斯抽采中试验及应用 煤炭技术，（）：，（）：王力 煤矿井下筛管完孔技术在穿层孔中的应用 煤炭工程，（）：，（）：秦金辉 松软煤层压风钻进及下筛管地面模拟实验 山西煤炭，（）：，（）：张军 松软煤层下筛管钻孔轨迹测量技术 煤矿安全，（）：，（）：杨忠胜，代祥文 全程下筛管与带压封孔瓦斯抽采技术分析 内蒙古煤炭经济，（）：，（）：王力，姚宁平，姚亚峰，等 煤矿井下碎软煤层顺层钻完孔技术研究进展 煤田地质与勘探，（）：，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页），高魁东，杜长龙，刘送永，等 镐齿安装角和半锥角随截深变化规律研究 煤炭科学技术，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：