一種多功能煤巖單齒截割試驗裝置制造方法

一種多功能煤巖單齒截割試驗裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種多功能煤巖單齒截割試驗裝置，該裝置包括基架、加載系統、平移系統和狀態監測系統，狀態監測系統包括位移測量系統、動態磨損監測系統、裂紋萌生與擴展監測系統、煤巖崩落監測系統、煤巖磨損區溫度監測系統、煤巖磨損區附近應力測量系統。本實用新型能夠實現截割過程動態加載，通過三軸力傳感器記錄正壓力、截割切向力和側向力，利用高速攝像機動態記錄煤巖崩落情況，利用激光位移傳感器監測煤巖-截齒合金頭之間的相對位移以及煤巖磨損區磨痕輪廓，利用熱成像儀監測截割過程中煤巖截割區熱場變化，利用聲發射傳感器監測煤巖截割過程中裂紋萌生與擴展規律，利用薄膜壓力傳感器監測煤巖截割過程中煤巖磨損區附近的應力分布。
【專利說明】一種多功能煤巖單齒截割試驗裝置
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種多功能煤巖單齒截割試驗裝置，用以研究單個截齒截割煤巖過程中截齒磨損特性、煤巖磨損區的動態磨損演化及裂紋萌生與擴展、煤巖的動態崩落過程、煤巖磨損區溫度變化以及磨損區附近煤巖的應力分布規律。
【背景技術】
[0002]到2015年，煤炭仍以63%的比重在我國一次性能源消費中占主導地位。在煤炭生產過程中，采掘機械是核心生產裝備之一，煤巖是采掘機械直接作用的對象，截割機具上的截齒是直接作用于煤巖的部件。在煤巖截割過程中，截齒承受高溫、高應力、高沖擊、高磨損的特殊工況，截齒磨損、斷裂失效嚴重，導致煤巖截割效率低、能耗大，因此，提供一種多功能煤巖單齒截割試驗裝置及方法，準確探究動態載荷作用下復雜裂隙煤巖的單齒截割和犁削致碎機理，為科學設計高效截割機具、優化截割參數和提高破煤效率提供重要理論依據，對保證煤炭的正常生產和我國能源供應具有重要意義。
[0003]目前用于煤巖截割裝置及試驗方法:專利號為200620089762.4公開的一種煤的截割過程測試裝置，能夠測定固定載荷作用下煤截割過程中截割刀具載荷、截割深度、速度及落煤塊度分布；專利號為201020578699.7公開的一種鎬形截齒試驗裝置，可以實現固定和轉動情況下煤巖截割過程中鎬形截齒的受力、溫度及磨損情況；上述專利均不能獲得截齒磨損特性、煤巖磨損區裂紋萌生和擴張特性、煤巖動態崩落過程、煤巖磨損區溫度變化以及磨損區附近煤巖的應力分布規律。專利號為201210421825.1公開的一種截齒對巖石截割機理試驗平臺，能研究不同的截齒安裝參數和截割運動參數下截割力、截割粉塵濃度、截齒溫度場，動態記錄截割過程視頻，不能研究截齒磨損特性、煤巖磨損區裂紋萌生和擴張特性和磨損區附近煤巖的應力分布規律。專利號201210442183.3公開的一種多截齒參數可調式旋轉截割煤巖試驗裝置，實現采掘機械煤巖截割時的三向力和截割扭矩的測試；專利號為201310341432.4公開的一種煤巖截割試驗裝置及截割刀具試驗方法，能夠評價刀具的截割磨損性能和優化參數；上述專利均不能考察煤巖磨損區的動態磨損演化、煤巖磨損區溫度變化以及磨損區附近煤巖的應力分布規律。

【發明內容】

[0004]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本實用新型提供一種多功能煤巖單齒截割試驗裝置，是一種功能齊全、方法簡便、易操作的煤巖單齒截割試驗裝置及方法，可用以研究單個截齒截割煤巖過程中截齒磨損特性、煤巖磨損區的動態磨損演化及裂紋萌生與擴展、煤巖的動態崩落過程、煤巖磨損區溫度變化以及磨損區附近煤巖的應力分布規律。
[0005]為了實現上述目的，本實用新型采用了如下的技術方案:
[0006]一種多功能煤巖單齒截割試驗裝置，包括基架、加載系統、平移系統和狀態監測系統，
[0007]所述基架包括底座、對稱設置在底座上的兩個支撐立柱和水平固定在兩個支撐立柱上部的承載梁；
[0008]所述加載系統包括固定在承載梁下端面的伺服油缸、固定在伺服油缸伸出活塞上的中間平板、設置在中間平板下部的可移動平板、固定在可移動平板下部的三軸力傳感器、設置在三軸力傳感器下部的截齒夾具和固定在截齒夾具上的截齒合金頭；
[0009]所述平移系統包括A平移系統和B平移系統，所述A平移系統包括固定在底座上的固定平臺、設置在固定平臺一端的A步進電機、與A步進電機連接的A彈性聯軸器、與A彈性聯軸器連接的A絲杠、對稱設置A絲杠兩側的A圓柱直線滑軌和設置在A圓柱直線滑軌上的A移動平臺，A移動平臺底部與A絲杠螺紋連接，所述B平移系統包括設置在A移動平臺一端的B步進電機、與B步進電機連接的B彈性聯軸器、與B彈性聯軸器連接的B絲杠、對稱設置在B絲杠兩側的B圓柱直線滑軌和設置在B圓柱直線滑軌上的B移動平臺，在B移動平臺上的煤巖夾具中固定煤巖試樣，B移動平臺底部與B絲杠螺紋連接；
[0010]所述狀態監測系統包括位移測量系統、動態磨損監測系統、裂紋萌生與擴展監測系統、煤巖崩落監測系統、煤巖磨損區溫度監測系統、煤巖磨損區附近應力測量系統；所述位移測量系統包括設置在煤巖試樣一側的A激光位移傳感器；所述動態磨損監測系統包括C平移系統和B激光位移傳感器，所述C平移系統包括安裝在兩側支撐立柱上的夾塊、固定于夾塊上的立板、固定在立板上的C圓柱直線滑軌、固定在立板上的電機座、固定在電機座上的C步進電機、連接于C步進電機上的C彈性聯軸器、與C彈性聯軸器連接的C絲杠、設置在C圓柱直線滑軌上并與C絲杠螺紋連接的C絲杠套，所述B激光位移傳感器固定于C絲杠套上；所述裂紋萌生與擴展監測系統包括安裝于煤巖試樣側面上的聲發射傳感器；所述煤巖崩落監測系統包括安裝在支撐立柱上的A夾塊、與A夾塊連接的A桿、與A桿鉸接的B桿、與B桿鉸接的C桿、固定在C桿上的高速攝像機；所述煤巖磨損區溫度監測系統包括安裝在支撐立柱上的B夾塊、與B夾塊連接的D桿、與D桿鉸接的E桿、與E桿鉸接的F桿，固定于F桿上的小型熱成像儀；所述煤巖磨損區附近應力測量系統包括埋在煤巖試樣表面安裝孔內的薄膜壓力傳感器。
[0011]在本實用新型中，優選的，所述聲發射傳感器與煤巖試樣之間設有耦合劑。
[0012]在本實用新型中，優選的，所述薄膜壓力傳感器沿磨損滑移方向間隔布置若干對，每對薄膜壓力傳感器正交布置，薄膜壓力傳感器與煤巖試樣安裝孔之間填充有壓實的煤粉。
[0013]有益效果:本實用新型試驗該裝置能夠實現截割過程動態加載，并可以實時監測整個截割過程的多個參量，通過三軸力傳感器記錄正壓力、截割切向力和側向力，利用高速攝像機動態記錄煤巖崩落情況，利用A激光位移傳感器監測煤巖-截齒合金頭之間的相對位移，利用B激光位移傳感器監測煤巖磨損區磨痕輪廓，利用熱成像儀監測截割過程中煤巖截割區熱場變化，利用聲發射傳感器監測煤巖截割過程中裂紋萌生與擴展規律，利用薄膜壓力傳感器監測煤巖截割過程中煤巖磨損區附近的應力分布，通過單齒截割實驗獲得截齒合金頭的磨損特性，該試驗裝置為進一步設計和優化截割機具、提高截割頭壽命與截割效率、探究煤巖截割機理提供重要的依據。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本實用新型試驗裝置的整體結構主視圖；[0015]圖2為圖1中A-A向視圖。
[0016]圖中:1 一立板，2— B激光位移傳感器，3— C圓柱直線滑軌，4一C絲杠，5— C彈性聯軸器，6— C步進電機座，7— C步進電機，8—中間平板，9一可移動平板，10—三軸力傳感器，11一截齒夾具，12—截齒合金頭，13—煤巖試樣，14—B移動平臺，15 — B圓柱直線滑軌，16—底座，17—固定平板，18—支座，19—A圓柱直線滑軌，20—A移動平臺，21—B步進電機，22—小型熱成像儀，23—B夾塊，24—聲發射傳感器，25—A激光位移傳感器，26—C絲杠套，27—伺服油缸，28一支撐立柱，29一7承載梁，30—聞速攝像機，31—C桿,32—B桿,33—A桿，34—A夾塊，35—B絲杠，36—薄膜壓力傳感器，37—B彈性聯軸器，38—B步進電機座，39—D桿，40—E桿，41一F桿，42—A絲杠，43—A彈性聯軸器，44—A步進電機座，45—A步進電機。
【具體實施方式】:
[0017]下面結合附圖對本實用新型做更進一步的解釋。
[0018]如圖1和2所示，本實用新型的多功能煤巖單齒截割試驗裝置包括基架、加載系統、平移系統和狀態監測系統。
[0019]所述基架包括底座16、對稱設置在底座上的兩個支撐立柱28和水平固定在兩個支撐立柱28上部的承載梁29。
[0020]所述加載系統包括固定在承載梁29下端面的伺服油缸27、固定在伺服油缸27伸出活塞上的中間平板8、設置在中間平板8下部的可移動平板9、固定在可移動平板9下部的三軸力傳感器10、設置在三軸力傳感器10下部的截齒夾具11和固定在截齒夾具11上的截齒合金頭12。伺服油缸27通過計算機系統控制，能夠提供正弦波、矩形波、鋸齒波等多種交變載荷，伺服油缸27伸出活塞與中間平板8螺紋固定在一起，中間平板8和可移動平板9通過螺栓固定在一起；截齒合金頭12通過緊定螺釘固定在截齒夾具11中。
[0021]所述平移系統包括A平移系統和B平移系統。所述A平移系統包括固定在底座16上的固定平臺17、通過A步進電機座44設置在固定平臺17 —端的A步進電機45、與A步進電機45連接的A彈性聯軸器43、與A彈性聯軸器43連接的A絲杠42、對稱設置A絲杠42兩側的A圓柱直線滑軌19和設置在A圓柱直線滑軌19上的A移動平臺20，A移動平臺20底部與A絲杠42螺紋連接，在A步進電機45正反轉帶動下，A移動平臺20可沿A圓柱直線滑軌19往復運動。所述B平移系統包括通過B步進電機座38設置在A移動平臺20一端的B步進電機21、與B步進電機連接的B彈性聯軸器37、與B彈性聯軸器37連接的B絲杠35、對稱設置在B絲杠35兩側的B圓柱直線滑軌15和設置在B圓柱直線滑軌15上的B移動平臺14，在B移動平臺14上的煤巖夾具中固定煤巖試樣13，B移動平臺14底部與B絲杠35螺紋連接，在B步進電機21正反轉帶動下，B移動平臺14可沿B圓柱直線滑軌15往復運動，通過移動A移動平臺20和B移動平臺14來調節煤巖試樣13的位置。
[0022]所述狀態監測系統包括位移測量系統、動態磨損監測系統、裂紋萌生與擴展監測系統、煤巖崩落監測系統、煤巖磨損區溫度監測系統、煤巖磨損區附近應力測量系統。
[0023]所述位移測量系統包括設置在煤巖試樣13 —側的A激光位移傳感器25。A激光位移傳感器25通過支座18固定于固定平臺17上。A激光位移器25通過監測它與煤巖夾具14側面的距離實現動態測量截齒合金頭12和煤巖試樣13的相對滑移距離，所述A激光位移傳感器25量程為500mm，精度為±lmm。
[0024]所述動態磨損監測系統包括C平移系統和B激光位移傳感器，所述C平移系統包括安裝在兩側支撐立柱28上的夾塊、固定于夾塊上的立板1、固定在立板I上的C圓柱直線滑軌3、固定在立板I上的電機座6、固定在電機座6上的C步進電機7、連接于C步進電機7上的C彈性聯軸器5、與C彈性聯軸器5連接的C絲杠4、設置在C圓柱直線滑軌3上并與C絲杠4螺紋連接的C絲杠套26，所述B激光位移傳感器2固定于C絲杠套26上。在C步進電機7正反轉帶動下，B激光位移傳感器2可沿C圓柱直線滑軌3往復運動，動態監測煤巖截割過程中煤巖磨痕的磨損輪廓，所述B激光位移傳感器2量程為500mm,精度為±lmm。
[0025]所述裂紋萌生與擴展監測系統包括安裝于煤巖試樣13側面上的聲發射傳感器24。為了提高監測質量,在聲發射傳感器24與煤巖試樣13之間設有稱合劑。
[0026]所述煤巖崩落監測系統包括安裝在支撐立柱28上的A夾塊34、與A夾塊34連接的A桿33、與A桿33鉸接的B桿32、與B桿32鉸接的C桿31、固定在C桿31上的高速攝像機30，A桿33與B桿32之間以及B桿32與C桿31之間可以相對轉動，使高速攝像機30可隨意調整角度和空間位置。所述高速攝像機選用國產千眼狼5F系列高速攝像機，分辨率最筒為1600萬像素，支持全幅4000巾貞/秒的超聞速攝影，小畫幅時最聞達20萬巾貞/秒。
[0027]所述煤巖磨損區溫度監測系統包括安裝在支撐立柱28上的B夾塊23、與B夾塊連接的D桿39、與D桿39鉸接的E桿40、與E桿40鉸接的F桿41，固定于F桿41上的小型熱成像儀22，D桿39與E桿40之間以及E桿40與F桿41之間可以相對轉動，使小型熱成像儀22可隨意調整角度和空間位置。所述小型熱成像儀22選用日本千野TP-L小型熱成像儀，分辨力為0.5°C，精度為測量值的±2%。
[0028]所述煤巖磨損區附近應力測量系統包括埋在煤巖試樣13表面安裝孔內的薄膜壓力傳感器36，薄膜壓力傳感器36沿磨損滑移方向間隔布置若干對，每對薄膜壓力傳感器36正交布置，為保證薄膜壓力傳感器36與煤巖試樣13安裝孔之間有良好接觸，其接觸空隙內填充有壓實的煤粉。
[0029]一種利用上述試驗裝置的煤巖單齒截割試驗方法，該方法包括以下步驟:
[0030]a)用緊定螺釘將截齒合金頭12固定在截齒夾具11中，將埋有薄膜壓力傳感器36的煤巖試樣13放在B移動平臺14上的煤巖夾具中，四周用螺釘固定；
[0031]b)控制A步進電機45和B步進電機21動作，使移動平臺上的煤巖試樣移動到截齒合金頭12正下方，控制伺服油缸27向下動作，使截齒合金頭12接觸煤巖試樣13并達到設定初始載荷；
[0032]c)啟動高速攝像機30，調節高速攝像機30的位置使得煤巖截割區呈現在高速攝像機30視野內；啟動小型熱成像儀22，并調節小型熱成像儀22位置能夠實時監測截割區附近熱場變化；啟動B激光位移傳感器2，調整B激光位移傳感器2位置使其能夠監測煤巖磨損區磨痕；啟動聲發射傳感器24和薄膜壓力傳感器36 ；
[0033]d)通過計算機控制伺服油缸27動作，對截齒合金頭12-煤巖試樣13之間施加交變接觸載荷，控制A步進電機45按給定速度動作，使煤巖試樣13沿著A圓柱直線滑軌19方向運動，實現截齒合金頭12對煤巖試樣13的一次單齒截割；
[0034]e)在完成一次截割過程后，停止A步進電機45動作，通過啟動C步進電機7帶動B激光位移傳感器2沿著C圓柱直線滑軌3運動，測量煤巖磨損區磨損輪廓數據；[0035]f)磨損輪廓測量完畢，升起伺服油缸26，控制A步進電機45反轉使煤巖試樣13與截齒合金頭12回到初始相對位置，控制伺服油缸26調節截齒合金頭12對煤巖試樣13的截割深度，進行下一次截割過程；
[0036]g)重復步驟d、e、f直到完成預定截割次數，停止實驗，保存各監測裝置實時測量的數據。
[0037]以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
【權利要求】
1.一種多功能煤巖單齒截割試驗裝置，包括基架、加載系統、平移系統和狀態監測系統，其特征在于: 所述基架包括底座(16)、對稱設置在底座上的兩個支撐立柱(28)和水平固定在兩個支撐立柱(28 )上部的承載梁(29 ); 所述加載系統包括固定在承載梁(29)下端面的伺服油缸(27)、固定在伺服油缸(27)伸出活塞上的中間平板(8)、設置在中間平板(8)下部的可移動平板(9)、固定在可移動平板(9)下部的三軸力傳感器(10)、設置在三軸力傳感器(10)下部的截齒夾具(11)和固定在截齒夾具(11)上的截齒合金頭(12)； 所述平移系統包括A平移系統和B平移系統，所述A平移系統包括固定在底座(16)上的固定平臺(17)、設置在固定平臺(17)—端的A步進電機(45)、與A步進電機(45)連接的A彈性聯軸器(43)、與A彈性聯軸器(43)連接的A絲杠(42)、對稱設置A絲杠(42)兩側的A圓柱直線滑軌(19)和設置在A圓柱直線滑軌(19)上的A移動平臺(20)，A移動平臺(20)底部與A絲杠(42)螺紋連接，所述B平移系統包括設置在A移動平臺(20)—端的B步進電機(21)、與B步進電機連接的B彈性聯軸器(37 )、與B彈性聯軸器(37 )連接的B絲杠(35 )、對稱設置在B絲杠(35)兩側的B圓柱直線滑軌(15)和設置在B圓柱直線滑軌(15)上的B移動平臺(14)，在B移動平臺(14)上的煤巖夾具中固定煤巖試樣(13)，B移動平臺(14)底部與B絲杠(35)螺紋連接； 所述狀態監測系統包括位移測量系統、動態磨損監測系統、裂紋萌生與擴展監測系統、煤巖崩落監測系統、煤巖磨損區溫度監測系統、煤巖磨損區附近應力測量系統；所述位移測量系統包括設置在煤巖試樣(13)—側的A激光位移傳感器(25);所述動態磨損監測系統包括C平移系統和B激光位移傳感器，所述C平移系統包括安裝在兩側支撐立柱(28)上的夾塊、固定于夾塊上的立板(I)、固定在立板(I)上的C圓柱直線滑軌(3)、固定在立板(I)上的電機座(6)、固定在電機座(6)上的C步進電機(7)、連接于C步進電機(7)上的C彈性聯軸器(5)、與C彈性聯軸器(5)連接的C絲杠(4)、設置在C圓柱直線滑軌(3)上并與C絲杠(4)螺紋連接的C絲杠套(26)，所述B激光位移傳感器(2)固定于C絲杠套(26)上；所述裂紋萌生與擴展監測系統包括安裝于煤巖試樣(13)側面上的聲發射傳感器(24);所述煤巖崩落監測系統包括安裝在支撐立柱(28 )上的A夾塊(34 )、與A夾塊(34 )連接的A桿(33 )、與A桿(33)鉸接的B桿(32)、與B桿(32)鉸接的C桿(31 )、固定在C桿(31)上的高速攝像機(30);所述煤巖磨損區溫度監測系統包括安裝在支撐立柱(28)上的B夾塊(23)、與B夾塊連接的D桿(39)、與D桿(39)鉸接的E桿(40)、與E桿(40)鉸接的F桿(41)，固定于F桿(41)上的小型熱成像儀(22);所述煤巖磨損區附近應力測量系統包括埋在煤巖試樣(13)表面安裝孔內的薄膜壓力傳感器(36 )。
2.根據權利要求1所述的一種多功能煤巖單齒截割試驗裝置，所述聲發射傳感器(24)與煤巖試樣(13)之間設有耦合劑。
3.根據權利要求1所述的一種多功能煤巖單齒截割試驗裝置，所述薄膜壓力傳感器(36)沿磨損滑移方向間隔布置若干對，每對薄膜壓力傳感器(36)正交布置，薄膜壓力傳感器(36)與煤巖試樣(13)安裝孔之間填充有壓實的煤粉。
【文檔編號】G01N3/58GK203785979SQ201420186210
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年4月16日 優先權日:2014年4月16日
【發明者】王大剛, 葛世榮, 李雪峰, 王學志, 王世博, 張德坤 申請人:中國礦業大學