一种刨煤机刨削模拟实验装置的制作方法

本发明属于刨煤机性能测试技术领域，特别是涉及一种刨煤机刨削模拟实验装置。

背景技术：

我国煤炭资源丰富，而多数煤企为了追求效益，一直偏重于开采中厚煤层，而随着中厚煤层资源的日益匮乏，薄煤层才逐渐成为煤企关注的焦点，为了适应薄煤层和极薄煤层的开采，刨煤机逐渐成为薄煤层和极薄煤层的主力开采设备。

刨煤机在进行煤岩开采过程中，会受到煤岩硬度不均匀、节理发育非均质等特点的影响，导致刨刀所受到的瞬时载荷具有多变量、强耦合、复杂性等特征，同时刨煤机刨头和刨煤机刨链会在刨链预紧力、链轮多边形效应等因素影响下，导致其受到的摩擦阻力也会不断变化，而载荷变化将直接影响刨煤机的刨削能力、工作可靠性、使用寿命以及煤炭生产效率。

目前，由于刨煤机通常是在复杂煤层赋存条件下进行工作的，工况恶劣、载荷复杂是不可避免的，现阶段通常以物理样机直接在现场进行煤岩截割实验，导致数据扰动性较大，而且各种参数也难以准确识别，不但数据采集困难，而且实验过程存在较大的风险。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种刨煤机刨削模拟实验装置，可将煤岩截割实验移入实验室环境中，刨煤机在刨削模拟煤壁时能够具有较高的稳定性，可满足多次往复刨削实验，数据扰动性小，能够准确识别各种参数，数据采集更加容易，有效降低了实验风险。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种刨煤机刨削模拟实验装置，包括刨煤机组件和模拟煤壁装夹组件；所述刨煤机组件包括刨头、刨头导轨、刨链、链轮及链轮驱动电机，所述刨头设置在刨头导轨上，刨头可沿刨头导轨直线移动；在所述刨头导轨两端分别设置有一个链轮，两个链轮之间通过刨链进行传动连接，每个链轮均配置一台链轮驱动电机；所述刨头包括刨体和牵引块，刨体与刨头导轨滑动接触配合，牵引块固连在刨体上，牵引块与刨链固定连接；所述模拟煤壁装夹组件包括模拟煤壁水平夹紧板、模拟煤壁水平夹紧油缸、水平夹紧油缸支座、模拟煤壁水平推移板、模拟煤壁水平推移油缸、水平推移油缸支座、模拟煤壁压紧板、模拟煤壁压紧油缸及压紧油缸支架；所述模拟煤壁水平夹紧板数量为两个，两个模拟煤壁水平夹紧板对称分布在模拟煤壁左右两侧，在模拟煤壁下方设有水平夹紧板导向滑轨，水平夹紧板导向滑轨采用平行双轨结构，模拟煤壁水平夹紧板可沿水平夹紧板导向滑轨进行直线移动；所述水平夹紧油缸支座位于模拟煤壁水平夹紧板外侧，水平夹紧油缸支座固装在地面上，所述模拟煤壁水平夹紧油缸水平设置，模拟煤壁水平夹紧油缸的缸筒端部铰接在水平夹紧油缸支座上，模拟煤壁水平夹紧油缸的活塞杆端部铰接在模拟煤壁水平夹紧板外表面；所述模拟煤壁水平推移板位于模拟煤壁后侧，所述水平推移油缸支座位于模拟煤壁水平推移板外侧，水平推移油缸支座固装在地面上，所述模拟煤壁水平推移油缸水平设置，模拟煤壁水平推移油缸的缸筒端部铰接在水平推移油缸支座上，模拟煤壁水平推移油缸的活塞杆端部铰接在模拟煤壁水平推移板外表面；所述压紧油缸支架采用龙门结构，压紧油缸支架从模拟煤壁上方跨过且固装在地面上，所述模拟煤壁压紧板位于模拟煤壁上侧，所述模拟煤壁压紧油缸竖直设置，模拟煤壁压紧油缸的缸筒端部铰接在压紧油缸支架上，模拟煤壁压紧油缸的活塞杆端部铰接在模拟煤壁压紧板上表面。

所述模拟煤壁水平夹紧板、模拟煤壁水平推移板及模拟煤壁压紧板与模拟煤壁相接触的表面均设为粗糙表面。

在所述水平夹紧板导向滑轨之间的地面上安装有模拟煤壁支撑垫板，模拟煤壁放置在模拟煤壁支撑垫板上，模拟煤壁支撑垫板的高度大于水平夹紧板导向滑轨的高度。

在所述模拟煤壁前方的地面上设置有喷雾降尘机构，所述喷雾降尘机构包括喷雾杆、喷雾杆支架及粉尘检测仪，喷雾杆支架固装在地面上，所述喷雾杆水平固装在喷雾杆支架顶部，在喷雾杆的杆体上分布有若干水雾喷嘴；所述粉尘检测仪安装在喷雾杆支架中部，通过粉尘检测仪实时对刨削过程中产生的粉尘浓度进行监测。

在所述牵引块上开设有凹槽，在牵引块的凹槽内贴装有第一应变片，通过第一应变片测量刨削过程中牵引块受到来自刨链的拉力。

所述刨体上安装有若干刨刀，刨刀由刀体和刀座组成，在刀座侧部和后部均开设有凹槽，在刀座侧部的凹槽内分别贴装有第二应变片、第三应变片和第四应变片，通过三个应变片测量刨削过程中刨刀受到的冲击应力；在所述刀座后部的凹槽内贴装有三向加速度传感器；在所述刀座侧部凹槽和后部凹槽的下角位置设置有导线槽。

在所述链轮与链轮驱动电机的连接轴上安装有扭矩传感器，通过扭矩传感器测量刨头在牵引过程中受到的扭矩。

在所述模拟煤壁侧方的地面上安装有高清摄像头和粒子成像速度场仪，高清摄像头和粒子成像速度场仪安装在同一个支架上，粒子成像速度场仪位于支架的最上方，高清摄像头位于粒子成像速度场仪下方，高清摄像头数量若干，若干高清摄像头沿高度方向均布设置；通过粒子成像速度场仪对刨削过程中下落煤炭粉尘颗粒的运动轨迹进行监测，通过高清摄像头对刨削后模拟煤壁表面不同高度的背脊残留进行图像获取。

本发明的有益效果：

本发明的刨煤机刨削模拟实验装置，可将煤岩截割实验移入实验室环境中，刨煤机在刨削模拟煤壁时能够具有较高的稳定性，可满足多次往复刨削实验，数据扰动性小，能够准确识别各种参数，数据采集更加容易，有效降低了实验风险。

附图说明

图1为本发明的一种刨煤机刨削模拟实验装置的结构示意图；

图2为本发明的刨煤机组件的结构示意图；

图3为本发明的模拟煤壁装夹组件的结构示意图；

图4为本发明的喷雾降尘机构的结构示意图；

图5为本发明的刨头的局部结构示意图；

图6为本发明的刨刀的结构示意图；

图中，1—刨头，2—刨头导轨，3—刨链，4—链轮，5—链轮驱动电机，6—刨体，7—牵引块，8—模拟煤壁水平夹紧板，9—模拟煤壁水平夹紧油缸，10—水平夹紧油缸支座，11—模拟煤壁水平推移板，12—模拟煤壁水平推移油缸，13—水平推移油缸支座，14—模拟煤壁压紧板，15—模拟煤壁压紧油缸，16—压紧油缸支架，17—模拟煤壁，18—水平夹紧板导向滑轨，19—模拟煤壁支撑垫板，20—喷雾杆，21—喷雾杆支架，22—粉尘检测仪，23—第一应变片，24—刨刀，25—刀体，26—刀座，27—第二应变片，28—第三应变片，29—第四应变片，30—三向加速度传感器，31—高清摄像头，32—粒子成像速度场仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～6所示，一种刨煤机刨削模拟实验装置，包括刨煤机组件和模拟煤壁装夹组件；所述刨煤机组件包括刨头1、刨头导轨2、刨链3、链轮4及链轮驱动电机5，所述刨头1设置在刨头导轨2上，刨头1可沿刨头导轨2直线移动；在所述刨头导轨2两端分别设置有一个链轮4，两个链轮4之间通过刨链3进行传动连接，每个链轮4均配置一台链轮驱动电机5；所述刨头1包括刨体6和牵引块7，刨体6与刨头导轨2滑动接触配合，牵引块7固连在刨体6上，牵引块7与刨链3固定连接；牵引块7与刨链3的具体固连方式为：在牵引块7上设有挂钩，在挂钩上连接有一个挂环，挂环一端焊接固连在挂钩上，挂环另一端连接在刨链3的链环上；所述模拟煤壁装夹组件包括模拟煤壁水平夹紧板8、模拟煤壁水平夹紧油缸9、水平夹紧油缸支座10、模拟煤壁水平推移板11、模拟煤壁水平推移油缸12、水平推移油缸支座13、模拟煤壁压紧板14、模拟煤壁压紧油缸15及压紧油缸支架16；所述模拟煤壁水平夹紧板8数量为两个，两个模拟煤壁水平夹紧板8对称分布在模拟煤壁17左右两侧，在模拟煤壁17下方设有水平夹紧板导向滑轨18，水平夹紧板导向滑轨18采用平行双轨结构，模拟煤壁水平夹紧板8可沿水平夹紧板导向滑轨18进行直线移动；水平夹紧板导向滑轨18采用燕尾型滑轨结构，用于提高模拟煤壁17夹紧过程中的稳定性；所述水平夹紧油缸支座10位于模拟煤壁水平夹紧板8外侧，水平夹紧油缸支座10固装在地面上，所述模拟煤壁水平夹紧油缸9水平设置，模拟煤壁水平夹紧油缸9的缸筒端部铰接在水平夹紧油缸支座10上，模拟煤壁水平夹紧油缸9的活塞杆端部铰接在模拟煤壁水平夹紧板8外表面；每个模拟煤壁水平夹紧板8均配有两个模拟煤壁水平夹紧油缸9提供推力；所述模拟煤壁水平推移板11位于模拟煤壁17后侧，所述水平推移油缸支座13位于模拟煤壁水平推移板11外侧，水平推移油缸支座13固装在地面上，所述模拟煤壁水平推移油缸12水平设置，模拟煤壁水平推移油缸12的缸筒端部铰接在水平推移油缸支座13上，模拟煤壁水平推移油缸12的活塞杆端部铰接在模拟煤壁水平推移板11外表面；模拟煤壁水平推移板11共配有两个模拟煤壁水平推移油缸12提供推力；所述压紧油缸支架16采用龙门结构，压紧油缸支架16从模拟煤壁17上方跨过且固装在地面上，所述模拟煤壁压紧板14位于模拟煤壁17上侧，所述模拟煤壁压紧油缸15竖直设置，模拟煤壁压紧油缸15的缸筒端部铰接在压紧油缸支架16上，模拟煤壁压紧油缸15的活塞杆端部铰接在模拟煤壁压紧板14上表面；模拟煤壁压紧板14共配有两个压紧油缸支架16提供推力。

所述模拟煤壁水平夹紧板8、模拟煤壁水平推移板11及模拟煤壁压紧板14与模拟煤壁17相接触的表面均设为粗糙表面，用于增大模拟煤壁17与各板之间的静摩擦力。

在所述水平夹紧板导向滑轨18之间的地面上安装有模拟煤壁支撑垫板19，模拟煤壁17放置在模拟煤壁支撑垫板19上，模拟煤壁支撑垫板19的高度大于水平夹紧板导向滑轨18的高度。

在所述模拟煤壁17前方的地面上设置有喷雾降尘机构，所述喷雾降尘机构包括喷雾杆20、喷雾杆支架21及粉尘检测仪22，喷雾杆支架21固装在地面上，所述喷雾杆20水平固装在喷雾杆支架21顶部，在喷雾杆20的杆体上分布有若干水雾喷嘴；所述粉尘检测仪22安装在喷雾杆支架21中部，通过粉尘检测仪22实时对刨削过程中产生的粉尘浓度进行监测。

在所述牵引块7上开设有凹槽，在牵引块7的凹槽内贴装有第一应变片23，通过第一应变片23测量刨削过程中牵引块7受到来自刨链3的拉力。

所述刨体6上安装有若干刨刀24，刨刀24由刀体25和刀座26组成，在刀座26侧部和后部均开设有凹槽，在刀座26侧部的凹槽内分别贴装有第二应变片27、第三应变片28和第四应变片29，通过三个应变片测量刨削过程中刨刀24受到的冲击应力；在所述刀座26后部的凹槽内贴装有三向加速度传感器30；在所述刀座26侧部凹槽和后部凹槽的下角位置设置有导线槽。

在所述链轮4与链轮驱动电机5的连接轴上安装有扭矩传感器，通过扭矩传感器测量刨头1在牵引过程中受到的扭矩。

在所述模拟煤壁17侧方的地面上安装有高清摄像头31和粒子成像速度场仪32，高清摄像头31和粒子成像速度场仪32安装在同一个支架上，粒子成像速度场仪32位于支架的最上方，高清摄像头31位于粒子成像速度场仪32下方，高清摄像头31数量若干，若干高清摄像头31沿高度方向均布设置；通过粒子成像速度场仪32对刨削过程中下落煤炭粉尘颗粒的运动轨迹进行监测，通过高清摄像头31对刨削后模拟煤壁17表面不同高度的背脊残留进行图像获取。本实施例中，高清摄像头31的数量为三个。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

首先，按照实验需要制作相应的模拟煤壁17，当模拟煤壁17制作完成后，首先将压紧油缸支架16连同其上的模拟煤壁压紧油缸15和模拟煤壁压紧板14全部移除，以腾出模拟煤壁支撑垫板19上方的空间区域，同时将全部的模拟煤壁水平夹紧油缸9和模拟煤壁水平推移油缸12的活塞杆调整到回缩状态，然后将制作好的模拟煤壁17吊装到模拟煤壁支撑垫板19上，之后将移除的压紧油缸支架16连同其上的模拟煤壁压紧油缸15和模拟煤壁压紧板14重新安装到位。

接下来，首先启动模拟煤壁水平夹紧油缸9并控制其活塞杆伸出，通过两块模拟煤壁水平夹紧板8将模拟煤壁17对中夹紧，然后启动模拟煤壁压紧油缸15并控制其活塞杆下伸，直到通过模拟煤壁压紧板14将模拟煤壁17压紧在模拟煤壁支撑垫板19上。

当模拟煤壁17完成装夹固定后，启动链轮驱动电机5，以驱动链轮4转动，进而带动刨链3移动，通过刨链3的移动进一步带动刨头1沿着刨头导轨2直线移动，随着刨头1的移动，从刨刀24接触模拟煤壁17的那一刻起，刨削过程便开始了，此时喷雾降尘机构中的喷雾杆20开始通过水雾喷嘴向着模拟煤壁17喷洒水雾，以降低粉尘浓度，避免粉尘对实验人员身体健康产生影响，同时通过粉尘检测仪22实时对刨削过程中产生的粉尘浓度进行监测。

在刨削过程中，通过第一应变片23实时测量牵引块7受到来自刨链3的拉力，通过第二应变片27、第三应变片28和第四应变片29测量刨刀24受到的冲击应力，通过扭矩传感器测量刨头1在牵引过程中受到的扭矩，通过粒子成像速度场仪32对下落煤炭粉尘颗粒的运动轨迹进行监测，通过高清摄像头31对刨削后模拟煤壁17表面不同高度的背脊残留进行图像获取。

当需要调整刨削深度时，只需启动模拟煤壁水平推移油缸12并控制其活塞杆伸出，通过模拟煤壁水平推移板11向前推动模拟煤壁17，由于刨刀24在模拟煤壁水平推移方向上位置相对固定，因此当模拟煤壁17向前移动后，就相当于刨刀24向模拟煤壁17靠近了，此时刨刀24再次刨削模拟煤壁17时，也就实现了刨削深度的改变。

经过上述实验过程，在刨削模拟煤壁17时具有了较高的稳定性，同时可以根据需要制作不同尺寸规格的模拟煤壁17，并可有效完成不同尺寸规格的模拟煤壁17的装夹固定，为了充分获取实验数据，可以多次往复刨削实验，并且刨削实验中的数据扰动性小，各种参数的识别准确度更高，数据采集也更加容易，实验风险也得到了有效降低。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。