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1、巷道掘进机的机械设计参数对稳定性的影响巷道掘进机的机械设计参数对稳定性的影响摘要摘要在隧道挖掘机中“巷道掘进机”挖掘机有特殊的特征设置，而且能够准确地保证巷道掘进机状态的稳定性对于有效和持续的挖掘是很重要的。对于巷道掘进机来说它有均衡的能量，如果其中一部分比其他更稳定，将会导致很大的轰轰响声。于是开发了一种新的计算机程序来分析巷道掘进机的稳定状态。开发的这种方法可以在开挖面的一个点或者从所有的面来分析纵向和横向的切割头型机。巷道掘进机的四个重要的稳定状态，即：绕垂直轴转动，转向侧面方向，转向后面的方向和滑动，都可以通过此程序来分析。在这项研究中，通过运用这种方法调查了机械设计参数对纵向型巷道掘
2、进机稳定性的影响。该研究的机械设计参数是整机重量，臂长，机宽，轮距，后腿和中心之间的距离，臂的头部和中心之间的距离，水平点和臂的垂直旋转中心点之间的距离，当臂和地面平行时，地面和臂的轴之间的距离。机械设计参数对稳定性的影响已经详细说明。关键词：巷道掘进机；开挖；机械设计参数；稳定性分析；计算机程序。1、介绍介绍在当今世界，为了采矿业和建筑业的目的，数百里的隧道被挖掘。随着城市化速度的迅速提高，对隧道运输和基础设施的需要也有所增加。另一方面，由于环境的限制和接近地球表面矿产资源的减少有一个按照地下采矿生产方法的趋势。由于经济合作与发展，需尽早开始地下采矿作业。因此，机械化挖掘系统比这样传统的采矿
3、生产方法更有优势。相对于其他机械化的挖掘机器巷道掘进机有一个特殊的地方。除了开车隧道，它们已经在煤炭，天然气，工业矿物质和金属矿石的采掘中得到了广泛的应用（Breitrick,1988 年） 。巷道掘进机的各种构造类型已经被调查（Bilgin 等人，1996 年；Eskikaya 等人，1988年；Breed 和 Convay1992 年） 。它们相对于全断面开挖机械有较低的初始投资成本。它们还灵活配备开挖各种各样形状画廊的装置。然而，它们并不适合硬切削条件，更适合用来开挖低到中等硬度的稳定岩石（Matti，1999 年；Schneider，1988 年；Aisawa 等人，1987 年；Ne
4、lson 等人，1992 年） 。巷道掘进机就它们的重量而言一般会分为轻型，中型，重型和超重型。随着它们重量的增加，它们可以用在更高强度的岩石中，因为机器的重量是与剪切头的强度和机臂的力量成正比的。由于机臂的反应力的增加，为了使机器获得更高能力其重量会增加。否则，会使机器的稳定性削弱或者导致机器不稳定性的发生（Frenyo 和Lange，1994 年；Gehring，1989 年；Kleinert，1982 年；Kogelman，1982 年；McDermott，1988 年；Menzel 和 Frenyo，1981年） 。在另一方面，重量的增加会导致机器初始投资成本的增加，还会导致机器在潮湿
5、地面的下陷问题。为了提高机器的稳定性，一般采用侧面和后背的稳定活塞。如果隧道有一个很宽的侧面轮廓，侧面稳定活塞或许就不会有用了（Kogelman，1982 年；Gibson 等人，1985 年；Deliac，1985 年） 。巷道掘进机在运行过程中的稳定性对于连续有效的切削工艺是至关重要的。横向和纵向的头型巷道掘进机相比，一些研究人员已经声明了稳定的重要性（Kogelman，1982 年；McDermott，1988 年；Menzel 和 Frenyo，1981 年） 。在横向切割头类型中，产生的剪切力的重要组成部分垂直作用在机器的头部。因此，横切头型在垂直方向对稳定性更敏感。相反，纵切头型机
6、器在水平方向比横切头型机器对稳定性更敏感（Gehring，1989 年；Kleinert，1982 年；Menzel 和 Frenyo，1981 年） 。据说纵向头型机无法运用机器的全部重量，因此它们声称可以拥有比横向头型机多 20-25%的重量。另据报道，由于稳定性的因素，在相同的剪切力下，横切头型巷道掘进机和纵切头型巷道掘进机相比能切割更高强度的岩石（Gehring，1989 年；Kleinert，1982 年；Kogelman，1982 年；Menzel 和 Frenyo，1981 年） 。然而，由于纵向头型巷道掘进机也可以垂直切割，指出在巷道掘进机稳定性的比较中也应考虑垂直稳定性。 （
7、Frenyo 和 Lange，1994 年；McDermott，1988 年） 。上述中以前的研究都是基于实际观察或者关于巷道掘进机稳定性的定性评价。Acaroglu 和 Ergin 最近评估和报告了切割头形状对机器稳定性的影响（2005） 。在这项研究中，运用了一种新的方法来分析很多数量巷道掘进机的稳定性。基于这种方法，写出了一种计算机程序（Acaroglu，2004 年；Acaroglu 和 Ergin，2006 年） 。他们也用了一个应用程序方法来评估机械设计参数对稳定性的影响。研究的机械设计参数包括“机器重量，臂长，机器的宽度，轮距，后腿和中心之间的距离，臂的头部和中心之间的距离，水平
8、点和臂的垂直旋转中心点之间的距离，当臂和地面平行时，地面和臂的轴之间的距离” 。2 2、开发的分析巷道掘进机稳定性的方法开发的分析巷道掘进机稳定性的方法2.1.稳定性分析方法新开发的计算方法是基于 X,Y,Z 坐标轴的三个力矩矢量计算值和巷道掘进机的滑动状态。该方法包括的计算：1.如图 1 所示，评估关于过平面中心的 Y 轴上的 C 点的力矩值。计算允许测定，与巷道掘进机绕垂直轴线转动有关的力矩值。2.如图 1 所示，评估关于过平面底板的 Z 轴上的 B 点的力矩值。计算允许测定，与巷道掘进机转向侧面方向有关的力矩值。3.如插图 1 所示，评估关于过平面底板的 X 轴上的 A 点的力矩值。计算
9、允许测定，与巷道掘进机转向背面方向有关的力矩值。4.如图 1 所示，评估巷道掘进机沿着过平面底板的 Z 轴的滑移状态。计算允许测定,与巷道掘进机滑移有关的力值。使用参数影响了机器的稳定性，如图一所示：W，表示整机的重量；e,表示机器的宽度；p,表示每个轨道的宽度；u 表示机臂的长度；m 表示机臂的头部与中心之间的距离；a 表示机器的后腿与中心之间的距离；f 表示当臂和地面平行时，地面和臂的轴之间的距离；s 表示水平旋转点和臂的垂直旋转中心点之间的距离；1表示机臂的最大位置横向角；2表示机臂的最大垂直向上位置角；3表示机臂的最大垂直向下位置角； 表示地面和机器轨道之间的摩擦系数； 表示隧道的坡度
10、。在巷道掘进机的稳定性分析中用到了切削过程中外露的能量。其中之一的能量是由作用在中心上的机器的重量产生的（图一） 。其他的能量是机臂的反应能量贡献的，如图 1 所示由三个作用在剪切头上突然发生的能量组成。这些能量是通过开挖力在直角坐标轴上投影获得的，当头部旋转时使其保持不动。它们被称为轴向力（AR）,回转力（SR）和垂直力（VR） 。轴向力和机臂的轴线平行，回转力和剪切边缘平行且垂直于轴向力。垂直力和回转力在一个平面内且相互垂直。这些力随着切割头形状的改变而改变。使用这些机械设计参数和定义了的力，可以列出在所有的剪切模式下横向和纵向切头型巷道掘进机的三个力矩方程和一个滑动状态方程。改变切割模式
11、就会改变巷道掘进机的稳定性，因为机臂力反作用力的方向会受到影响。在纵向头型巷道掘进机的切割过程中，机器先从隧道端面挖进，然后再水平挖弧和垂直挖弧。在表面性质相同的条件下，机臂轴线的位置和隧道的轴线平行，然后挖侧面。如果切割头是沿逆时针旋转的，将会切割右侧端面（称为过切模式） ，因为超过了切削端面。如果切削头在端面的下部，这种模式称为根切模式。如果切削方向是向下的，它被称为降切模式，如果切削方向是向上的，它被称为升切模式。这四种切削模式在图 2 中有详细的描述。对于横切头型巷道掘进机，正对隧道进刀后，切割头通过水平和垂直移动来挖掘表面。所以这些巷道掘进机的切削模式可以可以根据电弧放电的形式分为降
12、低型和提升型。作为一个例子，在在给出的（1）到（4）削弱模式下，找到纵向头型巷道掘进机的一个稳定态值（A,B,C,D） ，在给出的（5）到（8）电弧放电模式下，找到横向头型巷道掘进机的一个稳态值，然后建立方程；这些方程对于其他备有证明文件的模式也适用（Acaroglu，2004 年） 。这些方程显示出了轴承能承受的的最大力矩/巷道掘进机的最大承受力，和瞬时力矩/巷道掘进机的力值之间的区别。如果从方程得到的值都是小于零的话，这个机器将不再稳定。然而如果从方程中得到的值远大于零的话，这个巷道掘进机将会有较高的稳定性。2.1.1.纵向头型巷道掘进机在根切模式下的稳态方程(1)机器绕垂直轴旋转的状态A
13、=(W*p*cos )-(SR*cos1+AR*cos2*sin1)*(*cos2*cos1+s*cos1+m)+(VR*sin2-AR*cos2*cos1+SR*sin1)*(*cos2*sin1+s*sin1)(2)机器转向侧面方向的状态 B=(W*e/2*cos )-(SR*cos1+AR*cos2*sin1)*(*cos1*sin2+f)+(-VR*cos2-AR*cos1* sin2)*(* cos2*sin1+s*sin1+e/2)(3)机器转向背面方向的状态C=(W*a*cos-W*h* sin)-(AR*cos1*cos2-VR*sin2-SR*sin1)*(* cos1*si
14、n2+f)+(-VR*cos2-AR*cos1*sin2)*(*cos1*cos2+s*cos1+m+a)(4)机器的滑移状态D=(W*cos)-(-VR*sin2+AR* cos1*cos2-SR*sin1)2.1.2.横向头型巷道掘进机在电弧放电模式下的稳态方程(1)机器绕垂直轴旋转的状态A=(W*p*cos )-(SR*cos1+AR*cos2*sin1)*(*cos2*cos1+s*cos1+m)+(-VR*sin2-AR*cos2*cos1+SR*sin1)*(*cos2*sin1+s*sin1)(2)机器转向侧面方向的状态 B=(W*e/2*cos )-(SR*cos1+AR*co
15、s2*sin1)*(*cos1*sin2+f)+(VR*cos2-AR*cos1* sin2)*(* cos2*sin1+s*sin1+e/2)（3）机器转向背面方向的状态 C=(W*a*cos-W*h* sin)-(AR*cos1*cos2-VR*sin2-SR*sin1)*(* cos1*sin2+f)+(VR*cos2-AR*cos1*sin2)*(*cos1*cos2+s*cos1+m+a)（4）机器的滑移状态D=(W*cos)-(VR*sin2+AR* cos1*cos2-SR*sin1)2.2.计算机程序的稳定性分析方法基于上述方法，使用 C+编程语言开发了一个计算机程序。这个程序
16、，可以定量确定不同的稳定状态，横向或纵向切割头型掘进机在任何模式下的绕垂直轴旋转，转向侧面，转向背面和滑移状态。这个分析可以是在隧道面的一个特定的点或者是沿着整个表面。如在流程图 3 中所示，首先选择巷道掘进机的类型和切削模式。然后选择是在隧道表面一个特定点分析还是沿着整个隧道表面分析。如果是沿着整个隧道表面进行稳定性分析，必须输入机臂在水平面和垂直平面内的最大位置角（1，2，3） 。在整个表面，机臂每隔 5的位置角测试一次，程序计算其力矩值。如果只分析隧道表面的一点，必须输入机臂相对于水平面和垂直面的位置角。最后，机械参数和隧道参数输入到这个程序中。为了评估机械设计参数的影响，在保证其他的参数不变的情况下，每个参数以一种有规则的方式来变化。它允许测定每个机械设计参数对稳定性的影响。通过这个程序机臂位置稳定状态的结果
