掘进机盘形滚刀破岩工作模拟及分析

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掘进机盘形滚刀破岩工作模拟及分析
华北电力大学(北京) 田东丹张照煌
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： 摘要用BASIC语言编程．模拟r 断面岩石拙进机 形滚 的破岩过程，计算了盘形滚刀刃上一点在三j
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：维空间，各个方向上的位移变化量及其在不同转角、不同刀问 情况下侧滑量的变化趋势．并绘制出r盘刀破岩：
”
0过程中此点的轨迹变化投影图 为进一步分析研究盘形蒗 的破岩机理提供参考
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关键词 盘形滚刀 竺 j ifu
全断面岩石掘进机盘形滚刀工作时，其破岩刃
上破岩点的轨迹是空间曲线，此曲线尽管町用数学
方程描述出来，但是在理论分析和实际使用方面还
存在一定局限性，再加上盘形滚刀的工作对象较为
复杂，这使得借助于电子计算机对盘形滚刀的破岩
过程进行模拟研究成为必须。本文就是基于这 思
想，用BASIC语言编程，模拟了全断面岩石掘进
机盘形滚刀的破岩过程，并绘制出了盘刀破岩刃上
一点在完成一次侵深破岩时，其轨迹变化的投影
图，给出了不同安装半径的盘形滚刀破岩刃【 一点
完成一次侵深破岩时，其位移在三个坐标轴 [的投
影，从而为探讨全断面岩石掘进机工作时，其刀盘
上所有盘刀的运动状况提供了理论参考。
l 盘形滚刀的破岩模型及数学描述
为便于理论分析，根据全断面岩石掘进机盘形
滚刃的实际破岩状况，假设(1)掘进机刃盘为平
面刀盘；(2)盘形滚刀简化为一个几何圆；(3)岩
图l 盘形滚刀破岩模型图
工程机械，2000 (2)

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石为均质；(4)盘形滚刀在岩石面上作纯滚动；
{5)盘形滚刀刃上各点位移在坐标轴上的投影沿
坐标轴方向为正，反之则为负。根据这些假设，可
建立盘形滚刀的破岩模型，如图1。
该盘刀的安装半径为 ，盘刀自身半径为r，
绕：轴旋转方向的同时，在平行于：轴的平面内绕
自身轴转动。给定盘刀的旋转初始角 及破岩前
峰点A，则破岩前峰点A在 、 、：轴上的坐标
分别是：
， = 0
一D’cos(m+∞
0 D’sin【cp+ ) (1)
LZ AD 尸
根据图I所示几何关系，有
0
一D= (rsin0) +R
rsin0
g]
： arccos =
，
当盘刀旋转d 时，其位置关系如图2所示。
图2 盘刀旋转 度时的位置示意图
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则
f O
=
D ‘cos【妒+却+ )
{ =O：D ’sin(~o+如+ ) 【2)
【： =r—rcosO
盘形滚刀作纯滚动时，有
rdO= d∞
则dO：旦
根据图2所示几何关系，有
0 D = (rsin0 + R
， ． rsin0
g]r
0，；目一dO：0一旦d(D
南公式(1)、(2)可得出，当盘刀旋转d妒度时，
其破岩刃前峰点A的坐标变化量(亦即破岩刃前峰
点的位移在三个坐标轴上的投影)分别是：
f(ix x
．
t一
= O — D cos(~o+d妒+ )一O—Dcos(~o+ )
J d = 一 f31
= O — D sin(~o+d(p+ )一O—Dsin(~o+ )
dz= Z — Z
= r— rCosO 一P
式中 、妒、r和P 都是常量， 而变
量D D 、 、0 都随d妒的改变而变化，所蹦公
式(3)描述了盘形滚刀刃上一一点在破岩过程中的
位置变化。
2 盘形滚刀的破岩模拟及位移量计算
利用BASIC语言编程，模拟出了盘形滚刀在
破岩过程中的运动状况，并给出了在某一旋转角度
下，其破岩刃上一点的坐标及其变化量，计算出了
不同安装半径的盘形滚刀破岩刃前峰点在完成一次
侵深破岩时、其位移在三个坐标轴上的投影值
2．1 破岩模拟用语言的选择
盘形滚刀的破岩运动在计算机屏幕上主要以图
形和图形的变化来实现，因此所选语言在图形绘制
上应有一定独特优势。目前在较多高级语言，如
BASIC FORTRAN、C、C 、VB、JAVA 等
都具有绘图功能，但BAS IC语言采取解释执行方
式，在输人源程序并运行后，计算机系统会检查语
l2
法有无错误，边执行边修改．调试十 分方便；同
时．BASIC语言还提供一种“命令方式 ，允许在
键盘上直接进行运算和执行某些命令．因此，选用
BASIC语言编程
2．2 破岩模拟思路及框图
图形编辑是交互式绘图的一项重要技术 一般
来说，它包括两方面内容：一是图形的数学变换，
包括比例、对称、旋转、平移等：二一是图形的删
除、插人等 本次编程中主要以编写子程序和子程
序的调用来实现图形的平移、对称、旋转和删除
编程过程中以画法几何与计算机技术相结合形
成I【f句“投影计算机图学 为理论基础，通过对坐标的
引用和坐标的变换来实现整个图形的输出 从数学
理论上讲，坐标变换分为矩阵法和几何法，本次编
程使用的是几何法。其程序框图见图3。
图3 盘刀破岩工作模拟程序框图
2．3 运行结果及分析
2 3．1 盘形滚刀破岩工作模拟
设一盘形滚刀在平面刀盘上的安装半径 为3
ITl，盘刀半径r为0．1m，切深P为0．01ITl，则盘
刀破岩前峰点至最大切深完成一次侵深破岩时，刀
工程机械 2000(2)
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试验· 研究
1
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1 04 94995】1 71 8 7 5 c∞
11 39 9841 308 59 3 75 c
99 9984204 7 691 34 5 c自
lm】，
—
图4 盘刀破岩工作模拟结果图
盘转角为0．8614。 将此数据输入程序， 即得此 方向上的位移量随安装半径的增大而减小；在平行
盘形滚刀的破岩工作模拟图，运行结果见图4。图 于刀盘面且垂直于安装半径方向上的位移量随安装
4中，三维坐标图是盘刀随刀盘旋转0 8614。(即 半径的增大而增大。
盘刀前峰点A至最大切深)时，盘刀所处的位
置。为便于读者阅读(避免同一图上线条过多和空
间曲线缺少量化概念)，前蜂点 的空问轨迹采用
投影的方式描绘在坐标面上(图4中三个直角坐标
系内) 从图4还可以看出，盘形滚刀破岩前峰点
至最大切深的全过程中，其位移量在三个坐标轴上
的投影近似按直线关系增加
图中dx、dy、dz分别为盘形滚刀刃前峰点至
最大切深时，其位移在 轴、Y轴和z轴上的投
影。
2．3．2 不同安装半径的盘形滚刀位移量计算
为了考察不同安装半径的盘形滚刀在破岩过程
中，其破岩前峰点位移量的变化，表1给出了计算
结果。从表1中的计算数据可以看出，随盘形滚刀
在刀盘上的安装半径的增加，其破岩前峰点至最大
切深时，在x方向的侧滑量减小，而在Y方向的
位移量则增加。结合现实中易损盘刀在刀盘上的分
布状况，这一结论将会产生一定实际意义。
3 结论
(1)利用BAsIc语言编程模拟全断面岩石掘
进机盘形滚刀的破岩运动，形象、直观。
(2)盘形滚刀破岩前峰点至最大切深时，其位
移量在蔓个坐标轴上的投影近似直线增加。
(3)盘形滚刀破岩前峰点至最大切深时，其位
移量t 包括切深方向)在坐标轴上的投影随盘刀
在刀盘上安装半径的不同而变化。其中在安装半径
工程机械 2000 (2)
表l 不同安装半径的盘形滚刀位移■计算结果
盘形滚刀安装 dx dy d：
半径(mj (mm) (ram) (mmj
0 5 -2 486 0．241 —10
l 0 —1 629 0 789 一lO
1 5 —1 340 0 966 —10
2 0 —1．195 1 053 —1O
2 5 —1．108 l 105 —10
3．0 —1．049 l 140 —10
3．5 —1 O鸺 1 164 一l0
4 0 -0 976 1． 183 —10
4 5 --0 952 1． 197 —10
5 0 -0 932 1 208 —10
5 5 -0 917 l 218 —10
往：表中 dy dz分别为盘形滚刀刃前峰点至最大切深时，
其位移在X轴 Y轴 z轴上的投影
参考文献
1 张照煌岩石掘进机盘形滚刀刃前峰点侵人岩石的
轨迹的探讨工程机械，1998(2)
2 谭浩强，BASIc语言——结构化程序设计教程JE
京：中国科学技术出版杜，1990．6
3 袁长东，崔永军计算机绘图北京水利电力出版
社．1995．11
4 张照煌．叶定海，茅承觉．全断面岩百掘进机刀具及
受力分析建筑机械，1998(10)
(收稿H期1999-09—12J
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