巷道掘进机的机械设计参数对稳定性的影响
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
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；Nelson 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。（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、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；α1表示机臂的最大位置横向角；α2表示机臂的最大垂直向上位置角；α3表示机臂的最大垂直向下位置角；μ表示地面和机器轨道之间的摩擦系数；β表示隧道的坡度。
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=(W*p*μ*cosβ )-((SR*cosα1+AR*cosα2*sinα1)*(μ* cosα2*cosα1+s*cos α1+m)+(VR*sinα2-AR*cosα2* cosα1+SR*sinα1)*(μ*cosα2*sinα1+s*sinα1))
(2)机器转向侧面方向的状态
B=(W*e/2*cosβ )-((SR*cosα1+AR*cosα2*sinα1)*(μ* cosα1*sinα2+f)+(-VR*cosα2-AR*cosα1* sinα2)*(μ* cosα2*sinα1+s*sinα1+e/2))
(3)机器转向背面方向的状态
C=(W*a*cosβ-W*h* sin β)-((AR*cosα1*cosα2-VR*sin2-SR*
sin α1)*(μ* cosα1*sinα2+f)+(-VR*cos2-AR*cosα1*
sin α2)*(μ*cosα1*cosα2+s*cosα1+m+a))
(4)机器的滑移状态
D=(W*μ*cosβ)-(-VR*sinα2+AR* cosα1*cosα2-SR*sinα1)
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*μ*cosβ )-((SR*cosα1+AR*cosα2*sinα1)*(μ* cosα2*cosα1+s*cos α1+m)+(-VR*sinα2-AR*cosα2* cosα1+SR*sinα1)*(μ*cosα2*sinα1+s*sinα1))
(2)机器转向侧面方向的状态
B=(W*e/2*cosβ )-((SR*cosα1+AR*cosα2*sinα1)*(μ* cosα1*sinα2+f)+(VR*cosα2-AR*cosα1* sinα2)*(μ* cosα2*sinα1+s*sinα1+e/2))
（3）机器转向背面方向的状态
C=(W*a*cosβ-W*h* sin β)-((AR*cosα1*cosα2-VR*sin2-SR*
sin α1)*(μ* cosα1*sinα2+f)+(VR*cos2-AR*cosα1*sinα2)* (μ*cosα1*cosα2+s*cosα1+m+a))
（4）机器的滑移状态
D=(W*μ*cosβ)-(VR*sinα2+AR* cosα1*cosα
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，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2-SR*sinα1)
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（α1，α2，α3）。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写入了一个输出文件。这个程序也能评估将被开挖的隧道的侧面轮廓，通过运用机臂的长度，水平点和臂的垂直旋转中心点之间的距离，机臂在水平面内和垂直面内的最大位置角。这个输出文件包括隧道文件中的X （隧道宽度）和Y （隧道高度）的坐标值。利用力矩/力的值和隧道轮廓大小的乘积，可以画出稳定状态的等值力矩图。因此，可以获得沿隧道断面的稳定状态（Acaroglu ，2004年；Acaroglu 和Ergin ，2006年）。
3、机械设计参数和巷道掘进机的稳定状态
已经用开发的这种方法沿着最大切削断面分析了纵向切头型巷道掘进机。球型切削头有69°倾斜角，在机器中用到了角落挑选。它的设计参数和挑选力来自其他的研究（Hekimoglu ，1984年，1986年）其中挑选力通过整个规模的切削试验确定。机臂反应力（SR ，AR ，VR ）是通过计算机程序来评估的，计算机程序设计这些在机臂轴上的挑选力（Acaroglu ，2002年）机臂反应力在表1中已列出。
分析了巷道掘进机的进刀，过切，削弱和升降模式。并分析了巷道掘进机绕着垂直轴旋转，转向侧面方向，转向背面方向和滑移这些稳定状态。在所有的切削模式下，当机臂位置角每步变化5°时对整个面进行了计算。分析了巷道掘进机在所有的切削模式下四种稳定状态，其中获得的最小值和机臂的位置角在表2中一起列出。巷道掘进
机的稳定状态随
着力矩值的减小而减弱。当力矩值小于零时，机器将不再稳定。当滑
移状态的力值趋近于零时，巷道掘进机可能也会遇到滑移的问题。
为了分析机器设计参数对稳定性的影响，在保证其他设计参数不变的情况下被测试的机器设计参数以一种规则的方式变化。初始的和被测试的机器设计参数值和隧道参数值在表1中已经列出。
机器重量（W ）每次变化50KN ，在50KN 到400KN 范围内变化，被测试机器的原始重量是240KN 。已经观察出整机重量的增加，会导致瞬时值的增加和稳定状态下所有切削模式中力值的增加。反之亦然。机器重量和力矩值之间的关系线性图如图4所示。
臂长参数对机器稳定性的影响如图5所示。臂长每次变化0.5m 在1m 到7m 的范围内变化，被测试机的原始臂长值是3.2m 。在所有的切削模式下，绕垂直轴旋转和转向侧面方向这两个稳定状态随着臂
长的增加而减弱。在过切模式和降切模式下转向后面方向的稳定状态也会随臂长的增加而减弱。然而，臂长的增加会对升切和根切模式起一些积极作用。臂长参数对滑移状态没有任何影响。
机器宽度（e ）的参数只对机器转向侧面方向的稳定状态有影响，如图6所示。当机器的宽度参数值增加时，所有切削模式的瞬时值也会增加。这导致机器转向侧面方向模式的稳定性的增加。
轨道宽度（p ）的设计参数影响机器绕垂直轴旋转的稳定状态，如图6所示。轨道宽度设计参数值的增加会对机器的稳定性有积极的作用。机器后腿和机器中心之间的距离（a ）参数对稳定性的影响也在图6中表示出。如图6所示，设计参数的增加对机器转向背面方向的稳定状态有积极作用。
机臂始端与机器中心之间的距离（m ）参数对稳定性的影响如图
7所示。设计参数值的增加会使绕垂直轴旋转的稳定状态减弱，尤其是在过切和根切模式下。在降切和过切模式下也会对转向背面方向的稳定状态有一些小影响。
水平旋转点和机臂的垂直旋转点的距离（S ）参数对稳定性的影响如图8所示。在所有的切削模式下，参数值的增加会导致绕垂直轴旋转和转向侧面方向两种稳定状态中力矩值轻微的下降。然而，在升切和根切模式下将会获得较少的积极影响。
在所有的切削模式下，当机臂与地面平行时，地面和机臂轴之间距离（f ）值的增加将会使转向侧面方向和转向侧面方向的稳定状态减弱，如图9所示。
4、结论
为纵向和横向切头型巷道掘进机开发了一种新的稳定性分析方法，这种方法是通过建立在所有的切削模式下绕垂直轴转动，转向侧面方向，转向背面方向和滑动状态下的稳定方程而开发的。基于这些方程编写了计算机程序，通过它来分析机器在挖掘端面的一点或者在整个挖掘面的稳定性。使用这个程序，在土耳其煤矿厂通过巷道掘进机进行了测定操作，来测试机械设计参数对机器稳定性的影响。它得出结论，就像以前研究的一样，整机的重量对稳定性有很大的影响。机宽值的增加，轨道宽度值的增加，机器后腿和中心之间的距离的增加都会对机器的一些稳定状态有积极的作用；反之亦然。然而，机臂长度值的增加和和机器的其他主要设计参数值的增加会对特定巷道掘进机的稳定性有削弱的作用。
开发的方法可能对巷道掘进机制造商和机器的使用者是有用的，由于可以在不同隧道状态下测定机械设计参数对机器稳定性和机器完整性的影响。