基于MATLAB的懸臂式掘進機截割頭運動分析

李薇

摘 要：本研究對目前技術比較成熟的懸臂式掘進機截割頭的運動進行研究，在MATLAB中建立數學模型，為后續的動力學研究和仿真分析提供基礎數據。

關鍵詞：懸臂式掘進機；截割頭；運動分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.204

隨著采煤業的發展，掘進機的機械化、重型化、高效化是當前各國的發展趨勢。本研究旨在對已用于實際生產中的懸臂式掘進機截割頭的運動進行了分析與研究，為后續的動力學分析和仿真提供基礎數據，并將研究結果應用于自主研發的新型懸臂式掘進機中。

1 懸臂式掘進機運動原理

按照截割頭的布置方式不同，可以分為縱軸式和橫軸式?？v軸式截割頭與懸臂同軸布置，截割頭的形狀多為為圓錐形或圓柱圓錐形，截割頭運動軌跡近似于平面擺線，截割出的巷道平整光滑。目前國內外懸臂式掘進機大多數為縱軸式。

縱軸式掘進機截割頭的運動包括回轉、縱向進給、左右和上下擺動，截割頭的進給由推進液壓缸帶動懸臂的升降來實現的；水平擺動是依靠水平回轉工作臺的回轉來實現的。

2 截割頭運動分析

縱軸式掘進機截割頭的截割過程可簡單分為縱向鉆進和橫向擺動兩種工作方式，因此，對截割頭的運動分析也分為這兩種截割工況下進行研究。

2.1 進給工況下的運動分析

縱向進給截割工況下，截割頭繞自身軸旋轉的同時也在沿截割臂軸線方向縱向推進，因此，截割頭上截齒的運動軌跡為空間螺旋線。取半徑為r的某一截齒為例，其運動軌跡如圖1所示：

在初始位置，即t=0時，，其位置在處，該點運動經時間t后，截割頭轉過，并向前推進距離，運動到點，則即為該截齒運動經時間t后的一段螺旋線軌跡，其參數方程為：

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2.2 橫擺工況下的運動分析

橫向擺動工況下，截割頭繞自身軸旋轉的同時還隨著截割臂橫向擺動，因此，截割頭上截齒的運動軌跡是軸心平行于橫擺平面的擺線。取半徑為r的某一截齒為例，其運動軌跡如圖2所示：

在初始位置，即t=0時，，其位置在處，該點運動經時間t后，截割頭轉過，同時截割臂擺過角，運動到點，則即為該截齒運動經時間t后的一段擺線軌跡，其參數方程為：

；

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2.3 模型運動仿真

為研究截割頭的工作過程，首先利用縱向進給和橫向擺動兩個不同截割工況下的參數方程在MATLAB里建立數學模型，編寫截割齒運動程序，獲得某截齒縱向進給工況下的運動軌跡如圖3所示：

截割頭的運動不僅影響到機器的截割性能、生產能力、截割塊率及能耗指標等，而且還決定著截齒的磨損、截割頭上所有聯接件和傳動件的載荷穩定程度及整機可靠性，因此，對截割頭的運動分析是對掘進機進一步研究和設計的基礎。