CN106382117B - 横轴式掘进机截齿及其截割头载荷模拟方法 - Google Patents
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Abstract
一种横轴式掘进机截齿及其截割头载荷模拟方法，所述方法包括截齿载荷随切屑厚度变化模拟，截齿载荷随截齿位置角变化模拟，截割头载荷随时间变化模拟。所述方法是通过LabVIEW调用MATLAB，实现LabVIEW前台界面模拟参数的输入、载荷数值及变化曲线的显示，MATLAB上实现截割过程模拟程序的运行、截齿及截割头载荷的计算。本发明结合MATLAB强大的编程功能，实现了截割头截割过程的模拟，快速准确地计算出在不同参数下的截齿及截割头载荷。
Description
技术领域
本发明涉及一种掘进机截齿及截割头载荷的模拟方法，尤其是一种基于LabVIEW和MATLAB混合编程的横轴式掘进机截齿及截割头载荷的模拟方法。
背景技术
近年来，掘进机在我国开采领域得到了越来越广泛的应用，尤其是当截割硬度较大的岩石时，常常采用横轴式掘进机，其中，截割头是掘进机的关键部件，直接与岩石接触并进行截割，截割过程中截齿与截割头载荷的大小及其变化能反映掘进机的截割规律。但是掘进机工作环境复杂恶劣，无法实现掘进机截割头载荷的现场测量。因此，确定一种横轴式掘进机截齿及截割头载荷的模拟方法，对于研究掘进机载荷的变化规律具有现实意义。
在掘进机截割头载荷模拟领域，现有公开的技术，“纵轴式掘进机截割头载荷的模拟分析”的科技论文中，对纵、横轴式掘进机截割头进行受力分析，利用Matlab仿真软件编程，模拟得到截割头载荷随截割头旋转角度变化的载荷谱。但在该方法中，只是对截割头载荷的变化进行了模拟，未能对截齿载荷的变化进行模拟，且没有编写模拟界面。
“掘进机截割头随机载荷的模拟研究”的科技论文中，把截齿的载荷看作平稳随机过程，并利用瑞利分布和χ2分布分别建立了截齿在构造简单煤层和构造复杂煤层中截割的随机载荷模型，在此基础上确立了截割头的载荷模型及其模拟方法，并利用编制的计算机程序对截割头的随机载荷进行了模拟。但在该方法中，没有考虑横轴式掘进机与纵轴式掘进机截割头载荷计算的区别，统一采用数理统计以及随机理论对截齿载荷进行计算模拟，得到了截齿的平均载荷。
“基于MATLAB-GUI的横轴式掘进机截割岩石的载荷模拟分析”的科技论文中，通过建立横轴式掘进机截割头载荷模型，编制Matlab程序，利用Matlab的GUI功能，设计了截割头载荷模拟的人机界面***，对横轴式掘进机截割岩石的载荷进行了模拟。但该方法也仅模拟了截割头载荷随截割头转角的变化，未能对截齿载荷随各参数的变化进行模拟，且界面编写在 Matlab的GUI上，色彩较单一，无法实现参数直接在界面上的调节。
因此，现有技术中的掘进机截割头载荷的模拟方法都具有一定的不完善之处，需要确定一种基于LabVIEW和MATLAB混合编程的横轴式掘进机截齿及截割头载荷的模拟方法，使之能够实现横轴式掘进机截齿载荷随切屑厚度变化的模拟，随截齿位置角变化的模拟，截割头载荷随时间变化的模拟，并且在LabVIEW下编写模拟界面，实现界面的操作简便，图形美观。
发明内容
本发明的目的是为了解决现场测量掘进机截齿及截割头载荷困难、LabVIEW数据运算处理能力差以及MATLAB的图形用户界面在操作简便、图形美观等方面均不如LabVIEW的问题，提供一种基于LabVIEW和MATLAB混合编程的横轴式掘进机截齿及截割头载荷的模拟方法，以观察载荷随不同参量的变化情况，了解载荷的变化规律。
为了解决上述问题，本发明所采取的措施如下。
一种横轴式掘进机截齿及其截割头载荷模拟方法，所述方法包括截齿载荷随切屑厚度变化的模拟、截齿载荷随截齿位置角变化的模拟和截割头载荷随时间变化的模拟，其中：
所述截齿载荷随切屑厚度变化的模拟，具体是按照以下步骤进行的：
（1）依据横轴式掘进机截齿的齿形以及截割煤岩的状态确定截齿载荷的计算公式；
（2）依据横轴式掘进机截割煤岩的状态，确定岩石的接触强度P k 以及平均截线间距t；依据截齿的齿形确定截齿的类型系数k T 以及齿的后刃面磨钝后在牵引方向的投影面积S j ；依据截齿合金头形状、刀杆头部形状以及硬质合金刀头直径确定截齿几何形状影响系数k g ；依据截齿截角确定截齿截角影响系数k y ’；依据截齿排布方式确定切屑图影响系数C 1 、C 2 、C 3 ；
（3）所述步骤（1）中截齿载荷的计算公式中有一参量切屑厚度，是一变化的参量，依据实际情况中掘进机的运行状况，确定切屑厚度的变化范围；
（4）利用MATLAB软件的编程功能，编写截齿载荷的计算公式，给定切屑厚度的变化范围，得出不同切屑厚度下截齿载荷的数值。
（5）利用LabVIEW软件中的数值控制与显示功能，创建模拟过程中需要输入的参数，实现参数在界面上的直接调节；
（6）利用LabVIEW软件中的MATLAB Script节点，调用MATLAB程序，实现LabVIEW和MATLAB混合编程；
（7）利用LabVIEW软件中的波形显示模块，将MATLAB程序运行得到的一系列数据进行图形化显示，得到截齿载荷随切屑厚度变化的模拟界面。
所述截齿载荷随截齿位置角变化的模拟，具体是按照以下步骤进行的：
步骤（1）（2）重复上述截齿载荷随切屑厚度变化的模拟的步骤（1）（2）；
（3）所述步骤（1）中截齿载荷的计算公式中有一参量切屑厚度，是与每条截线上截齿数量、截齿位置角、截割头转速、截割头摆动速度有关的变化参量，实际情况中掘进机在每种截割状态下，每条截线上截齿数量、截割头转速、截割头摆动速度是可以固定不变的，而截齿位置角是随着截割头运动过程而发生变化的，确定不变参数的数值以及截齿位置角的变化范围；
（4）利用MATLAB软件的编程功能，编写截齿载荷的计算公式，给定截齿位置角的变化范围，得出不同截齿位置角下截齿载荷的数值；
（5）利用LabVIEW软件中的数值控制与显示功能，创建模拟过程中需要输入的参数，实现参数在界面上的直接调节；
（6）利用LabVIEW软件中的MATLAB Script节点，调用MATLAB程序，实现LabVIEW和MATLAB混合编程；
（7）利用LabVIEW软件中的波形显示模块，将MATLAB程序运行得到的一系列数据进行图形化显示，得到截齿载荷随截齿位置角变化的模拟界面。
所述截割头载荷随时间变化的模拟，具体是按照以下步骤进行的：
（1）依据横轴式掘进机截齿的齿形以及截割煤岩的状态确定截齿载荷的计算公式；
（2）依据横轴式掘进机截割煤岩的状态，确定岩石的接触强度P k 以及平均截线间距t；依据截齿的齿形确定截齿的类型系数k T 以及齿的后刃面磨钝后在牵引方向的投影面积S j ；依据截齿合金头形状、刀杆头部形状以及硬质合金刀头直径确定截齿几何形状影响系数k g ；依据截齿截角确定截齿截角影响系数k y ’；依据截齿排布方式确定切屑图影响系数C 1 、C 2 、C 3 ；依据掘进机的运行状态确定截割头转速n及摆动速度v；
（3）依据横轴式掘进机截割头的受力分析，得到截割头载荷的计算公式；
（4）依据横轴式掘进机截齿排布规律，确定一种截齿的排布方式；
（5）对掘进机截割头上的每一个截齿进行编号，设置每一个截齿的初始位置角；
（6）依据截割头转速以及设定的离散点数，确定掘进机截割头运动时间步长；
（7）每历经一个时间步长，计算每个截齿的截割位置角，判断每个截齿是否处于截割位置；
（8）处于截割状态的截齿根据截齿载荷的计算公式计算载荷值，不处于截割状态的截齿其载荷为零；
（9）根据截割头载荷的计算公式计算截割头载荷。
（10）利用MATLAB软件的编程功能，编写截割头截割过程模拟的程序，给定模拟的时间长度，计算得到每个时间离散点下截齿载荷大小以及截割头载荷的大小。
（11）利用LabVIEW软件中的数值控制与显示功能，创建模拟过程中需要输入的参数，实现参数在界面上的直接调节；
（12）利用LabVIEW软件中的MATLAB Script节点，调用MATLAB程序，实现LabVIEW和MATLAB混合编程；
（13）利用LabVIEW软件中的波形显示模块，将MATLAB程序运行得到的一系列数据进行图形化显示，得到截割头载荷随时间变化的模拟界面。
所述步骤（5）中，截齿位置角以截割头垂直向上方向为截割位置角的0°，向煤岩一侧方向依次递增。由于只有截齿位置角在0°~180°的截齿能与煤岩接触，因此设定截齿位置角在0°~180°时截齿参与截割，载荷按照截齿载荷的计算公式进行计算，180°~360°的截齿不参与截割，载荷为零。
所述步骤（6）中，截割头转速为n（r/min），截割头旋转一周所需时间T（s）为
所选离散点个数为m，则时间步长为
本发明上述所提供的一种横轴式掘进机截齿及其截割头载荷模拟方法，与现有技术相比，本方法实现了通过LabVIEW调用Matlab对掘进机截齿及截割头载荷的模拟，载荷计算快速准确，解决了实际现场中载荷测量困难的问题，并得到截齿及截割头载荷随不同参量的变化规律，为载荷的进一步分析提供依据。
附图说明
图1是本发明掘进机截割头受力分析图。
图2是本发明掘进机截割头截割过程模拟流程图。
具体实施方式
为了便于理解本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式做出进一步的说明。应当理解，此处所描述的具体实施方案仅仅用于解释本发明，并不用于对本发明进行限定。
实施本发明所提到的一种基于LabVIEW和MATLAB混合编程的横轴式掘进机截齿及截割头载荷的模拟方法，其所述方法包括截齿载荷随切屑厚度变化的模拟；截齿载荷随截齿位置角变化的模拟；截割头载荷随时间变化的模拟。
所述截齿载荷随切屑厚度变化的模拟，具体是按照以下步骤进行的：
（1）对于横轴式掘进机，截齿形状一般为镐形齿，且常用于截割硬度较大的煤岩。因此模拟过程中选用截齿齿形为镐形齿，截割岩石硬度为普氏坚硬度f=8的煤岩，截割过程中，截齿受到三种力，分别为截割阻力，侧向阻力和牵引阻力，确定截齿载荷计算公式分别为
式中P k ——岩石的接触强度（MPa）；
k T ——截齿的类型系数；
k g ——截齿几何形状影响系数；
k y ’——截齿截角影响系数；
t——平均截线间距（mm）；
h——平均切屑厚度（mm）；
S j ——齿的后刃面磨断后在牵引方向的投影面积（mm2）。
C 1 、C 2 、C 3 ——切屑图影响系数。
（2）模拟中使用的掘进机截齿为镐形齿，选取的系数都是依据镐形齿来选择的，参数的选择具体如下，
a.岩石的接触强度，按照P k 与f的对应关系确定，模拟过程中岩石的普氏坚硬度f=8，P k 取1000；
b.截齿齿形为镐形齿，截齿的类型系数k T 取值为1.5；
c.截齿几何形状影响系数k g ，对于镐形齿，其中k ψ =1.0，k ψ ’=1.0，k d =1.0，所以k g =1.0；
d.截齿为镐形齿，截齿截角为60°，则截齿截角影响系数为k y ’=0.65；
e.截线间距是相邻截割轨迹之间距离，对于中硬煤岩，截线间距t一般取30~50mm，一般岩石硬度越大，截线间距相对较小，在这里截线间距取30mm；
f.齿的后刃面磨断后在牵引方向的投影面积S j 镐形齿一般取15~20mm2，这里取18mm2；
g.截齿排布为顺序式，切屑图影响系数C 1 、C 2 、C 3 分别取1.4,0.3,0.15；
（3）横轴式掘进机截割过程中切屑厚度是一变化量，一般最大可以达到300mm，因此确定切屑厚度的变化范围为0~300mm；
（4）利用MATLAB软件的编程功能，编写截齿载荷的计算公式，给定切屑厚度的变化范围，得出不同切屑厚度下截齿载荷的数值；
（5）利用LabVIEW软件中的数值控制与显示功能，创建模拟过程中需要输入的参数，实现参数在界面上的直接调节；
（6）利用LabVIEW软件中的MATLAB Script节点，调用MATLAB程序，实现LabVIEW和MATLAB混合编程；
（7）利用LabVIEW软件中的波形显示模块，将MATLAB程序运行得到的一系列数据进行图形化显示。
所述截齿载荷随截齿位置角变化的模拟，具体是按照以下步骤进行的：
步骤（1）（2）重复上述截齿载荷随切屑厚度变化模拟的步骤（1）（2）。
（3）截齿载荷的计算公式中切屑厚度
式中，——掘进机截割头摆动速度（m/min）；
——截割头转速（r/min）；
——每条截线上的截齿数；
——截齿位置角（°）；
模拟过程中，掘进机截割硬度较大的煤岩，为了避免截割过程中煤岩对掘进机截齿及截割头造成伤害，其截割头摆动速度以及截割头转速都比较低，选择参数为掘进机截割头摆动速度v b =6 m/min；截割头转速n=45 r/min；每条截线上的截齿数m=3；定义截齿位置角以截割头垂直向上方向为截割位置角的0°，向煤岩一侧方向依次递增，由于掘进机在截割过程中，煤岩壁为一垂直面，截齿位置角处于0°~180°的截齿能与煤岩接触，才会参与截割，因此设定截齿位置角变化范围为0°~180°。
（4）利用MATLAB软件的编程功能，编写截齿载荷的计算公式，得出不同截齿位置角下截齿载荷的数值；
（5）利用LabVIEW软件中的数值控制与显示功能，创建模拟过程中需要输入的参数，实现参数在界面上的直接调节；
（6）利用LabVIEW软件中的MATLAB Script节点，调用MATLAB程序，实现LabVIEW和MATLAB混合编程；
（7）利用LabVIEW软件中的波形显示模块，将MATLAB程序运行得到的一系列数据进行图形化显示；
所述截割头载荷随时间变化的模拟，所述模拟过程流程图如附图2所示，具体步骤如下：
步骤（1）（2）重复上述截齿载荷随切屑厚度变化的模拟步骤（1）（2），其中，所述步骤（2）中，截割头摆速v b =6 m/min，截割头转速n=45 r/min；
（3）所述方法截割头的受力分析如附图1所示，截割头载荷就是截割过程中参与截割的截齿受力和，截割头所受三个方向的力分别为，
（4）所述方法采用截齿顺序式的排布方式，每条截线上截齿数目为3；
（5）对掘进机截割头上的每一个截齿进行编号，设置每一个截齿的初始位置角，所述截齿位置角以截割头垂直向上方向为截割位置角的0°，向煤岩一侧方向依次递增；
（6）截割头转速为n（r/min），截割头旋转一周所需时间T（s）为
所选离散点个数为m，则时间步长为
（7）每历经一个时间步长，计算每个截齿的截割位置角，判断每个截齿是否处于截割位置，由于煤岩壁是垂直的，在截割过程中，只有截齿位置角在0°~180°的截齿能与煤岩接触，截齿参与截割，180°~360°的截齿不参与截割；
（8）处于截割状态的截齿根据截齿载荷的计算公式计算载荷值，不处于截割状态的截齿其载荷为零；
（9）根据截割头载荷的计算公式计算截割头载荷；
（10）利用MATLAB软件的编程功能，编写截割头截割过程模拟的程序，给定模拟的时间长度，计算得到每个时间离散点下各个截齿载荷大小以及截割头载荷的大小；
（11）利用LabVIEW软件中的数值控制与显示功能，创建模拟过程中需要输入的参数，实现参数在界面上的直接调节；
（12）利用LabVIEW软件中的MATLAB Script节点，调用MATLAB程序，实现LabVIEW和MATLAB混合编程；
（13）利用LabVIEW软件中的波形显示模块，将MATLAB程序运行得到的一系列数据进行图形化显示。
综上所述技术方案的实施，其特点在于本方法实现了LabVIEW调用Matlab对掘进机截齿及截割头载荷的模拟，载荷计算快速准确，解决了实际现场中载荷测量困难的问题，并得到截齿及截割头载荷随不同参量的变化规律，为载荷的进一步分析提供依据。凡在本发明的技术及原则之内，所进行的任何修改、替换及改进都应该视为在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种横轴式掘进机截齿及其截割头载荷模拟方法，包括截齿载荷随切屑厚度变化模拟，截齿载荷随截齿位置角变化模拟以及截割头载荷随时间变化模拟；具体载荷模拟方法分别如下：
所述截齿载荷随切屑厚度变化的模拟是按下列步骤进行的：
（1）依据横轴式掘进机截齿的齿形以及截割煤岩的状态确定截齿载荷的计算公式；
（2）依据横轴式掘进机截割煤岩的状态，截齿的齿形，齿的后刃面磨钝后在牵引方向的投影面积，截齿合金头形状，刀杆头部形状，硬质合金刀头，截齿截角，截齿排布方式确定截齿载荷计算公式中的各个参量值；
（3）所述截齿载荷的计算公式中有一参量切屑厚度，是一变化的参量，依据实际情况中掘进机的运行状况，确定切屑厚度的变化范围；
（4）利用MATLAB软件的编程功能，编写截齿载荷的计算公式，给定切屑厚度的变化范围，得出不同切屑厚度下截齿载荷的数值；
（5）利用LabVIEW软件中的数值控制与显示功能，创建模拟过程中需要输入的参数，实现参数在界面上的直接调节；
（6）利用LabVIEW软件中的MATLAB Script节点，调用MATLAB程序，实现LabVIEW和MATLAB的混合编程；
（7）利用LabVIEW软件中的波形显示模块，将MATLAB程序运行得到的一系列数据进行图形化显示，得到截齿载荷随切屑厚度变化的模拟界面；
所述截齿载荷随截齿位置角变化模拟是按下列步骤进行的：
（1）依据横轴式掘进机截齿的齿形以及截割煤岩的状态确定截齿载荷的计算公式；
（2）依据横轴式掘进机截割煤岩的状态，截齿的齿形，齿的后刃面磨钝后在牵引方向的投影面积，截齿合金头形状，刀杆头部形状，硬质合金刀头，截齿截角，截齿排布方式确定截齿载荷计算公式中的各个参量值；
（3）所述截齿载荷的计算公式中有一参量切屑厚度，是与每条截线上截齿数量、截齿位置角、截割头转速、截割头摆动速度有关的变化参量，实际情况中掘进机在每种截割状态下，每条截线上截齿数量、截割头转速、截割头摆动速度是可以固定不变的，而截齿位置角是随着截割头运动过程而发生变化的，确定不变参数的数值；
（4）利用MATLAB软件的编程功能，编写截齿载荷的计算公式，给定截齿位置角的变化范围，得出不同截齿位置角下截齿载荷的数值；
（5）利用LabVIEW软件中的数值控制与显示功能，创建模拟过程中需要输入的参数，实现参数在界面上的直接调节；
（6）利用LabVIEW软件中的MATLAB Script节点，调用MATLAB程序，实现LabVIEW和MATLAB混合编程；
（7）利用LabVIEW软件中的波形显示模块，将MATLAB程序运行得到的一系列数据进行图形化显示，得到截齿载荷随截齿位置角变化的模拟界面；
所述截割头载荷随时间变化模拟是是按下列步骤进行的：
（1）依据横轴式掘进机截齿的齿形以及截割煤岩的状态确定截齿载荷的计算公式；
（2）依据横轴式掘进机截割煤岩的状态，截齿的齿形，齿的后刃面磨钝后在牵引方向的投影面积，截齿合金头形状，刀杆头部形状，硬质合金刀头，截齿截角，截齿排布方式确定截齿载荷计算公式中的各个参量值；
（3）依据横轴式掘进机截割头的受力分析，得到截割头载荷的计算公式；
（4）依据横轴式掘进机截齿排布规律，确定一种截齿的排布方式；
（5）对掘进机截割头上的每一个截齿进行编号，设置每一个截齿的初始位置角；
（6）依据截割头转速以及设定的离散点数，确定掘进机截割头运动时间步长；
（7）每历经一个时间步长，计算每个截齿的截割位置角，判断每个截齿是否处于截割位置；
（8）处于截割状态的截齿根据截齿载荷的计算公式计算载荷值，不处于截割状态的截齿其载荷为零；
（9）根据截割头载荷的计算公式计算截割头载荷；
（10）利用MATLAB软件的编程功能，编写截割头截割过程模拟的程序，给定模拟的时间长度，计算得到每个时间离散点下截割头载荷的大小；
（11）利用LabVIEW软件中的数值控制与显示功能，创建模拟过程中需要输入的参数，实现参数在界面上的直接调节；
（12）利用LabVIEW软件中的MATLAB Script节点，调用MATLAB程序，实现LabVIEW和MATLAB混合编程；
（13）利用LabVIEW软件中的波形显示模块，将MATLAB程序运行得到的一系列数据进行图形化显示，得到截割头载荷随时间变化的模拟界面；
所述截割煤岩的状态是普氏坚硬度f=8的煤岩；
所述齿的后刃面磨钝后在牵引方向的投影面积为18 mm2，截齿合金头形状为圆锥形，刀杆头部形状为圆锥形，硬质合金刀头直径14mm，截齿截角为60°，截齿排布方式为顺序式。
2.如权利要求1所述的模拟方法，所述掘进机截齿的齿形是镐形齿。
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