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一种用于评估岩石切割性能的新型线性切割机
摘要
采用小容量线性切割机（LCM）和一种带有一维称重传感器的新型力测量方法来评估低成本截齿机的岩石切割性能。实施有限元分析和LCM测试，以验证小容量LCM的结构稳定性和新的力测量方法的可行性。有限元分析和LCM测试结果表明，小容量LCM结构稳定，而新的力测量方法能够获得平均精度为96.74％的切削力。此外，用于掘进机截齿机的小容量LCM系统的成本低于用于TBM圆盘切割机的传统LCM系统的10％。
1.介绍
切割头的设计是岩石挖掘机（如隧道掘进机（TBM）和掘进机）制造过程中最重要的任务之一，因为切割机的布置和切割头的设计占主导地位。在评估影响切割头设计的关键参数时，大容量线切割机（LCM）的测试表明它们提供了最可靠和准确的方法，因为LCM测试是能够适应各种切割力和岩石穿透力。因此，许多研究人员进行了大容量LCM测试，以研究拾取器或圆盘切割器在应用于各种岩石类型碎片时的切割性能。他们可以通过测量LCM试验产生的切削力和挖掘岩石体积所获得的比能来评估岩石切割机的效率;这使得能够预测为特定类型的岩石设计的挖掘机的岩石切割性能。因此，在使用LCM测试时准确测量切削力非常重要。为了确保机器的稳定运行，设计者和操作者应该知道机器所需的切削力（即推力和扭矩）以切入给定类型的岩石。可以根据从LCM测试获得的单个切割器的三维（3D）力来计算推力和扭矩。
为了准确地获得切削力，大容量LCM设计了具有大横截面的框架以提供高水平的刚度，通常使用3D测力传感器来测量3D切削力，即阻力（Fd），法向力（Fn）和侧向力（Fs）。尽管大容量测试具有显着优势，但在建立LCM系统（包括高刚度框架和3D测力传感器）时会产生大量成本，并且还需要耗费大量时间来制备大型岩石标本（包括取样，成型，运输和铸造成钢箱）。因此，一些研究人员采用了小容量测试，并研究了可靠性，以节省大容量测试的高成本。然而，使用岩芯而不是大型岩石样本的小容量LCM测试仍需要在可靠性和可行性分析方面进一步研究，以确定是否可以覆盖整个范围的力。
通常，LCM的容量设计用于TBM的盘式切割机，其承载比掘进机的切割机高得多。发现圆盘刀具的平均法向和轧制力（定义为与Fd相同的方向）为20-250 kN和2-40kN，而平均值和发现截齿机的阻力分别为0.8-15kN和2-10 kN。即使这些切削力可以根据岩石类型和切削条件进行改造。即使这些切削力可以根据岩石类型和切削条件进行改变，但是大型LCM将通过挖掘刀加载到小于载荷能力的10％。 因此，机器的制造和大型试样的成型不可避免地导致相当大的经济损失。
因此，在这项研究中，我们开发了一种小容量，低成本的LCM来验证测试系统的可靠性，这可以保证对掘进机的每个挖掘机的稳定测试。为了制造小容量LCM测试系统，我们通过参考现有的大容量LCM设计了开发的LCM的结构，同时通过有限元（FE）分析验证了系统的稳定性。此外，我们提出了一种使用四个1-D称重传感器的新力测量方法，以降低使用3D称重传感器的成本。 该方法使用简单的公式来估算作用在拣刀的尖端上的3D切削力，该公式来自力和力矩均衡。还进行了另一次有限元分析以验证功能。新力测量方法的可行性。最后，实施了水泥砂浆试样的小容量LCM试验，以检查结构稳定性并评估所提出的力测量方法的准确性。
2.LCM测试的文献综述
许多研究人员已经解决了大容量LCM测试，以研究镐或圆盘切割机的切割性能和效率。 对于大容量LCM，已使用3D称重传感器或其组件来测量切削力。 对现有的LCM测试系统和相关研究进行了审查，如下所述。
巴卡尔等人使用美国密苏里科技大学的LCM，在干燥和水饱和砂岩上使用单圆盘切割机和凿式拖镐进行线性岩石切割试验。该LCM配备有3D测力传感器组件，该组件由四个以方形菱形图案排列的3D测力传感器组成，以切割器为中心。根据Gertsch和Summers的说法，这种3D测力传感器的布置，是标准方形图案的替代品，对滚动（或阻力）和侧向力更敏感，同时继续对更高的法向力敏感。 Gertsch等。进行了圆盘切割试验，以研究在一系列间隔和穿透条件下作用在圆盘刀上的力。这些圆盘切割测试是在科罗拉多矿业学院地球力学研究所的LCM上进行的。Kim等人检查了切割几何形状和配置对钻头旋转的影响。他们的研究是在Kennametal位于美国Latrobe PA的岩石切割实验室的LCM上进行的，并且使用三个3D测力传感器测量三个切削力分量。
Goktan和Gunes通过使用在伊斯坦布尔技术大学的NATO-TU-挖掘项目中设计和制造的LCM分析岩石切割试验数据，开发了峰值和平均切削力的预测方程。 使用相同的LCM，Bilgin等。 使用具有不同切削深度和刀具间距值的锥形截齿进行岩石切削试验，以了解主要岩石属性对刀具性能的影响。 此外，Balci和Bilgin试图将小型和大型岩石切割试验与选择机械化挖掘机相关联，而Tuncdemir提出了通过相同LCM进行大容量岩石切割试验来控制比能量和切屑尺寸之间关系的规则。 该LCM通过单个3D测力传感器测量作用在切割机上的切削力。
韩国建筑技术研究所（KICT）的LCM已被用于研究刀具作用力和性能。它能够使用3D称重传感器在切割机上获得切削力。Cho等人在各种切削条件下进行了LCM测试，以获得韩国花岗岩岩石TBM圆盘铣刀的切削性能。 此外，Choi等人进行了线性切割试验，以估计在不同角度和倾斜角度条件下锥形截齿的性能。
Entacher等开发了一种新型的力测量技术，以实时确定TBM圆盘刀的3D加载情况，然后将其应用于奥地利使用的Koralm隧道TBM的三个圆盘切割机。 然而，在结构上，它仅适用于实际的TBM切割器。尽管使用岩心岩样进行了小容量岩石切割试验，但直到现在还不清楚小型和大型岩石切割试验之间的相关性。
3.线切割机的发展
3.1 新的LCM系统
如图所示，提出了一种适用于拣刀的小容量凿岩试验的新型LCM系统。这具有四个刚性柱，以最小化结构振动的影响，这是由于拾取切割器和岩石样本之间的岩石碎裂的影响而产生的。将长方体岩石样本放置在滑动台上，并且通过与滑动台连接的液压致动器控制岩石切割运动。此外，安装1-D测力传感器以仅监测执行线性岩石切割的液压致动器处的阻力（Fd）。夹紧装置将岩石样品牢固地固定在滑动台上，同时用六个螺钉横向调节切割空间。切割深度和倾斜角度可以通过分别安装在上侧和圆形板上的液压致动器来调节。在板上安装了一个带有基于应变仪的称重传感器的新型力测量装置，用于调整倾斜角度，使用拾取刀将其连接到LCM主体。
3.2力测量的新方法
一种新的力测量装置由四个1-D称重传感器，一个上法兰，一个下法兰，肩螺栓，一个截齿刀和一个支架组成，如图1（b）所示。作为圆环型负载传感器并且仅能够测量轴向压缩力的1-D测力传感器以方形菱形图案布置，因为众所周知这种设计对Fd和Fs更敏感。 四个肩部螺栓将上部法兰，1-D称重传感器和下部法兰组合在一起，夹具与拣选刀组装在一起。此外，肩螺栓在支撑新的力测量装置抵抗由Fd和Fs产生的剪切力方面起着至关重要的作用。也就是说，1-D测力传感器可以在三个垂直方向上测量切削力，而不受肩部螺栓的剪切力的影响。
1-D称重传感器仅通过肩螺栓承受轴向载荷（F1 -F4）。如图1（b）所示，当LCM测试正在进行时，作用在拾取刀尖上的切削力（Fd，Fn和Fs）被观察为来自1-的四个轴向载荷值。D称重传感器。因此，必须实施反算过程以获得三个力分量。后向计算公式可以从力和力矩平衡得出。也就是说，如图2所示，作用在新的力测量装置上的所有力的总和等于零，并且相对于点的力矩之和也为零。作用在刀具上的三个力分量可以通过后计算公式Eqs简单地计算。图（1） - （3）。这里，R，H和L分别表示从凸缘中心开始的测力传感器中心的半径，截齿刀尖端相对于测力传感器的高度以及截齿刀尖端相对于凸缘中心的水平长度。
在新的力测量方法中，当法向力（Fn）不足时，在1-D测力传感器中可能出现拉力。 因此，必须对每个1-D称重传感器施加适当的预载荷，因为1-D称重传感器不能测量拉力。由于小容量LCM和力测量装置被设计成分别监测高达15kN和10kN的Fd和Fn，因此从数学角度来看，预加载必须大于5000 N.此外，需要三个1-D称重传感器来计算三个力分量。第四个称为冗余负载传感器的称重传感器用于补偿测量误差。
4.有限元分析
4.1小容量LCM的结构稳定性
为了检查小容量LCM的结构稳定性，使用Abaqus商业软件进行有限元分析。如图3（a）所示，简化了小容量LCM的有限元模型，重点关注其结构稳定性 并减少计算所需的时间。特别是由红线表示的拾取器和支架被认为是刚体。支撑力测量装置的四个柱被约束为六个自由度（DOF）运动。此外，每个螺栓连接被替换为将各个表面连接在一起的系杆约束。作用在拾取刀具尖端上的切削力被设定为小容量LCM的设计载荷，即Fd =15kN和Fn = 10kN。（本研究未考虑Fs，因为它对分析结果的影响很小。）
通过有限元分析，从von-Mises应力和位移评估结构稳定性。在设计载荷条件下，小容量LCM结构的最大von-Mises应力为112.4 MPa，如图3（b）所示。由于结构材料（SS400）的屈服应力为245.3MPa，小容量LCM将在弹性区域内变形。也就是说，小容量LCM的结构在指定的设计负载下结构稳定。如图3（c）所示，在截齿刀的尖端监测结构的最大位移（以红色显示）。最大位移的大小约为1.52mm，其中F d方向的位移占总位移的99.73％。这种小位移意味着所开发的LCM的结构足够坚硬以承受切削力。然而，在LCM测试中，拾取刀尖的位移可能影响力测量的精度。因为动力会在实际的LCM测试中应用于拾取刀具，很难预测拾取位移对有限元分析中力测量精度的影响。因此，应通过实际的LCM测试再次研究这种效应。
4.2新的力测量方法的可行性
实施有限元分析以验证新的力测量方法的可行性。 开发了新的力测量装置的有限元模型，如图所示。 在FE模型中，上凸缘上的螺栓孔的中心点被限制为6DOF运动，因为上凸缘牢固地安装在板上以调节倾斜角度。拾取刀具，支架和下凸缘通过系杆约束彼此固定。此外，定义了肩螺栓，1-D称重传感器和上下法兰之间的接触。
为了避免拉力施加在1-D称重传感器上，预拉力施加在肩螺栓上，如图4（a）所示。 作用在每个肩螺栓上的预紧力构成预加载。 预载可防止出现张力的情况，并确保1-D称重传感器测量的准确性。在有限元分析中，作用在1-D测力传感器（F1 -F4）上的压缩力可以通过截面力获得，这表示作用在预定表面上的力（如图4（a）所示） 轴向的1-D称重传感器。
对8种情况进行FE分析，其中在设计的力范围内施加各种切削力，即Fd和Fn分别达到15kN和10kN。每个分析以多个步骤进行，在将预张力施加到肩部螺栓之后添加三个力分量。如图4（b）和（c）所示，多步骤分析包括两个步骤：在步骤1中，将预拉力施加到肩部螺栓上。在步骤2中，在预拉伸载荷下将切削力施加到拾取刀具的尖端。
作为有限元分析的结果，用1-D测力传感器测量四个力值，然后通过反算计算三个力分量。作用在截齿刀上的力（Fd，Fn和Fs）和使用有限元分析计算的力（Fda，Fna和Fsa）表示在图5（a）中。分析 结果表明，在每种情况下，从1-D称重传感器计算出的力与拾取刀具上施加的力非常相似。为了定量地比较它们，使用等式1计算每种情况下的相对误差。平均如图5（b）所示。在Eq。Fi和Fi#39;表示作用在拾取刀具上的力分量和由FE分析或测量获得的力。在图10中，Fd和Fn的相对误差和偏差分别小于1.0％和1.5％，但Fs的相对误差和偏差分别约为6.0％和12.0％：
5.小容量LCM测试
5.1实验设置和测试程序
线性切割运动并调整穿透深度。在将小输出信号（0-24mV）放大为强大的输出信号（0-10 V）后，DAQ盒以1000 Hz的采样率收集来自1-D称重传感器的输出信号。监控PC将通过DAQ盒接收的电信号转换为物理力值，并在图形用户界面（GUI）的屏幕上显示测量的力。监控程序（使用NI LabView编码）在执行小容量LCM测试时切断预加载，以监控作用在拾取刀具上的三个力分量施加的力，而不考虑外力。
在小容量LCM测试之前，研究了新的力测量装置的性能；将设计载荷中的最大阻力（15kN）和法向力（10kN）施加到截齿刀上，然后卸下它们。通过重复该力测量，可以获得滞后、非线性和不可重复性，如图6（b）所示。在11kN的负载附近观察到最差的滞后（71.2％）和非线性（72.5％），并且在整个负载范围内不可重复性为70.7％。这些结果表明，新的力测量装置通过结构约束和变形不如每个1-D测力传感器（70.05％）精确。然而，这种性能下降使新的力测量装置能够仅使用1-D称重传感器测量3D力。
如文献中所述进行小容量LCM测试，其中很好地建立了大容量LCM测试的程序。制备三种具有不同强度（低，中和中等强度）的水泥砂浆试样代替岩石试样。每个样品的尺寸为300*200*200 mm。为了确保试样表面完全调节和平整，即表面损坏在拾取刀具工作面上达到类似的稳定状态，在试验之前在每个试样上进行几次切割。这项工作被称为“预处理”。此外，试样中心的部分表面仅用于减少边缘效应，因为试样不足以消除边缘效应。由Kennametal Inc.制造的截齿刀（T1型）用于所有测试。该尖头的尖端直径为19毫米，标距长度为64毫米，柄高度为141毫米。作用在拾取刀具上的切削力以减轻的切削模式进行测量，这会影响切削槽之间的相互作用。整个小容量LCM测试的恒定条件是切割深度为4 mm和6 mm，攻角为45°，倾斜角为0°。此外，切割间距保持在6,12和18毫米。小容量LCM测试中的线性切割如图6（c）所示。
5.2 检测结果
对于三个水泥砂浆试样，单轴抗压强度（UCS）分别为21MPa，4
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资料编号：[2488]
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