Luận án Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến tuổi thọ của răng cắt trên tang máy khấu dùng trong khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh

 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
 TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT 
PHẠM VĂN TIẾN 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ 
ĐẾN TUỔI THỌ CỦA RĂNG CẮT TRÊN TANG MÁY 
KHẤU DÙNG TRONG KHAI THÁC THAN HẦM LÒ 
VÙNG QUẢNG NINH 
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT 
HÀ NỘI – 2021 
 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
 TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT 
PHẠM VĂN TIẾN 
NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ 
ĐẾN TUỔI THỌ CỦA RĂNG CẮT TRÊN TANG MÁY 
KHẤU DÙNG TRONG KHAI THÁC THAN HẦM LÒ 
VÙNG QUẢNG NINH 
Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực 
Mã số: 9520116 
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 
1. GS.TS ĐINH VĂN CHIẾN 
2. PGS.TS TRIỆU HÙNG TRƢỜNG 
HÀ NỘI – 2021 
LỜI CAM ĐOAN 
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết 
quả nên trong luận án là trung thực. Những kết quả của luận án chƣa từng đƣợc 
ai công bố trong các công trình nào khác. 
 Hà Nội, Ngày 09 tháng 03 năm 2021 
Tác giả luận án 
Phạm Văn Tiến 
i 
MỤC LỤC 
MỤC LỤC .......................................................................................................... i 
BẢNG KÝ HIỆU TỪ KHOÁ, CHỮ VIẾT TẮT ............................................ iv 
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... vi 
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 
CHƢƠNG 1 ...................................................................................................... 5 
TỔNG QUAN VỀ RĂNG CẮT LẮP TRÊN TANG MÁY KHẤU DÙNG 
TRONG KHAI THÁC THAN HẦM LÒ ......................................................... 5 
1.1. Tình hình cơ giới hóa khai thác than hầm lò vùng Quảng Ninh ................ 5 
1.2. Đặc điểm cấu tạo địa chất của vỉa than vùng Quảng Ninh ........................ 6 
1.3. Đặc điểm cấu tạo của máy khấu than ....................................................... 14 
1.4. Khái quát về tình hình nghiên cứu, phát triển răng cắt tiếp tuyến trong và 
ngoài nƣớc ....................................................................................................... 20 
1.5. Kết cấu răng cắt tiếp tuyến ....................................................................... 23 
1.6. Vật liệu chế tạo răng cắt ........................................................................... 26 
1.7. Công nghệ chế tạo răng cắt tiếp tuyến ..................................................... 27 
1.8. Một số công trình nghiên cứu về máy khấu, răng cắt máy khấu than ..... 28 
1.8.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................ 28 
1.8.2. Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam ........................................................ 33 
KẾT LUẬN CHƢƠNG 1: .............................................................................. 35 
CHƢƠNG 2 .................................................................................................... 36 
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT PHÁ VỠ ĐẤT ĐÁ, THAN BẰNG .............. 36 
DỤNG CỤ CẮT VÀ CƠ CHẾ MÒN DỤNG CỤ CẮT................................. 36 
2.1. Nghiên cứu sự phá hủy đất đá, than bằng dụng cụ cắt ............................ 36 
2.1.1. Nghiên cứu cơ chế phá hủy đất đá, than bằng răng cắt ........................ 36 
2.1.2. Phân tích các kiểu cắt của răng máy khấu ............................................ 37 
ii 
2.1.3. Phân tích ảnh hƣởng của một số thông số đến lực cản cắt trên răng cắt
 ......................................................................................................................... 39 
2.2. Xác định lực cản cắt than ......................................................................... 40 
2.2.1. Lực cản cắt than ................................................................................... 40 
2.2.2. Lực tác dụng lên răng cắt ...................................................................... 40 
2.3. Nghiên cứu cơ chế mòn của răng cắt máy khấu than .............................. 43 
2.3.1. Nguyên nhân mòn hỏng răng cắt máy khấu than .................................. 43 
2.3.2. Các dạng mòn hỏng của răng cắt máy khấu than.................................. 47 
2.3.3. Phân tích các dạng hỏng của răng cắt trong quá trình làm việc ............ 48 
2.4 Nghiên cứu xác định điều kiện cắt theo ứng suất tối ƣu trên răng cắt ...... 55 
2.4.1 Lựa chọn thông số đầu vào cho mô phỏng ............................................ 55 
2.4.2 Xây dựng mô hình mô phỏng ................................................................ 57 
2.4.4 Xác định điều kiện cắt tối ƣu theo ứng suất trên răng cắt...................... 60 
2.4.5 Phân tích phƣơng sai (ANOVA) ............................................................ 61 
2.4.6 Ảnh hƣởng của thông số cắt đến ứng suất trên răng cắt ........................ 62 
2.4.7 Xây dựng mô hình hồi quy..................................................................... 63 
2.4.8 Hồi quy tuyến tính đa biến ..................................................................... 63 
2.4.9 Thực nghiệm kiểm chứng các thông số phù hợp xác định đƣợc .......... 63 
KẾT LUẬN CHƢƠNG 2: .............................................................................. 64 
CHƢƠNG 3 .................................................................................................... 65 
QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ĐỘ BỀN MÒN ..................... 65 
RĂNG CẮT MÁY KHẤU THAN ................................................................. 65 
3.1. Lựa chọn thông số đầu vào cho thực nghiệm để đánh giá độ bền răng cắt
 ......................................................................................................................... 65 
3.2 Phƣơng pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi [56] ...................................... 66 
3.3 Phân tích phƣơng sai ................................................................................ 69 
3.4. Xây dựng hàm hồi quy [10] ..................................................................... 71 
iii 
3.5 Thiết lập thí nghiệm .................................................................................. 75 
3.5.1 Thiết kế thiết bị thí nghiệm: ................................................................... 75 
3.5.2 Nguyên lý hoạt dộng .............................................................................. 76 
3.5.3 Tính chọn các thông số chính của máy .................................................. 76 
3.5.4. Thiết lập các thông số chính của máy ................................................... 78 
3.5.5. Thiết kế mẫu thí nghiệm ....................................................................... 80 
3.5.4. Răng cắt thí nghiệm .............................................................................. 82 
3.5.6 Thiết bị đo xác định độ mòn .................................................................. 83 
KẾT LUẬN CHƢƠNG 3: .............................................................................. 84 
CHƢƠNG 4 .................................................................................................... 85 
PHÂN TÍCH KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 85 
4.1 Kết quả thí nghiệm .................................................................................... 85 
4.2. Xác định điều kiện cắt tối ƣu ................................................................... 86 
4.3. Phân tích phƣơng sai (ANOVA) .............................................................. 87 
4.4. Ảnh hƣởng của thông số cắt đến kết quả quá trình cắt ............................ 88 
4.5. Xây dựng mô hình hồi quy....................................................................... 89 
4.5.1 Hồi quy tuyến tính đa biến ..................................................................... 89 
4.5.2 Thực nghiệm kiểm chứng các thông số phù hợp xác định đƣợc ........... 94 
NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 ................................................... 95 
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................... 97 
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 99 
iv 
BẢNG KÝ HIỆU TỪ KHOÁ, CHỮ VIẾT TẮT 
TT 
Ký hiệu, 
từ viết tắt 
Ý nghĩa từ viết tắt 
1 NCS Nghiên cứu sinh 
2 PGS.TS Phó giáo sƣ, tiến sĩ 
3 Vinacomin Tập đoàn công nghiệp than và khoáng sản Việt Nam 
4 S/N Tỷ lệ tín hiệu/ nhiễu 
5 ih Cƣờng độ mòn 
6 t Bƣớc cắt 
7 Zc Lực cản cắt 
8 vc Tốc độ cắt 
9 mm; m Đơn vị đo chiều dài 
10 E Mô đun đàn hồi 
11 Fc Lực cản cắt 
12 Fn Phản lực 
13 Fu Lực uốn 
14 A Góc cắt 
15 h Chiều sâu cắt 
16 s Bƣớc cắt 
17 v Vận tốc cắt 
18 SSd Tổng độ lệch bình phƣơng do từng thông số thiết kế 
19 SSe Sai số tƣơng ứng 
20 n Số lần làm thí nghiệm 
21  Khối lƣợng riêng của mẫu 
22 WC Các bít Vôn fram 
v 
23 ch Giới hạn chảy 
24 max Ứng suất lớn nhất 
25 40X Thép hợp kim Crom 
26 Kr Hệ số chiều cao răng 
27 m/s Đơn vị tính vận tốc 
28 kN, N Đơn vị đo lực 
29 kW; W Đơn vị đo công suất 
30 
O
C Nhiệt độ C 
31 HRC Thang đo độ cứng 
32 L Quãng đƣờng mòn 
vi 
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 
Bảng 1. 1 Phân loại đất đá theo M.M Protodiaconop ....................................... 7 
Bảng 1. 2 Tổng hợp đặc điểm cấu tạo địa chất một số vỉa than vùng Quảng 
Ninh ................................................................................................................. 13 
Bảng 1. 3 Đặc tính kỹ thuật của máy khấu than MG200-W1 ......................... 16 
Bảng 1. 4 Đặc tính kỹ thuật của máy khấu than MG132/320 - WD .............. 17 
Bảng 1. 5 Thong số kỹ thuật MB 12-2V2P/R-450E ....................................... 18 
Bảng 2. 1 Các kiểu mài mòn răng cắt ............................................................ 48 
Bảng 2. 2 Kết quả thử nghiệm với mảng trực giao L25 ............................... 56 
Bảng 2. 3 Đặc điểm vật liệu làm răng cắt ....................................................... 57 
Bảng 2. 4 Kết quả mô phỏng ứng suất trên răng cắt theo mảng trực giao L25 
Taguchi ............................................................................................................ 58 
Bảng 2. 5 Các lực và tỷ lệ S/N tƣơng ứng ...................................................... 59 
Bảng 2. 6 Bảng phản hồi S/N cho ứng xuất trên răng cắt ............................... 60 
Bảng 2. 7 Kết quả ANOVA cho ứng suất ...................................................... 61 
Bảng 3. 1 Các thông số và giá trị đầu vào....................................................... 65 
Bảng 3. 2 Thiết kế thực nghiệm với mảng trực giao L25 của Taguchi .......... 68 
Bảng 3. 3 Thông số của động cơ Mitsubishi ac spindle motor ....................... 77 
Bảng 3. 4 Thông số kỹ thuật của bộ điều kiển động cơ dẫn độngđĩa cắt và di 
chuyển ............................................................................................................. 77 
Bảng 3. 5 Vận tốc vòng quay của của đĩa cắt .................................. ... 94-202. 
36. H.M.Somashekar và N.Lakshmana Swamy, 2012, Optimizing Surface 
Roughness in turning operation using Taguchi Technique and ANOVA. 
International Journal of Engineering Science and Technology (IJEST), 
4: 1960-1966. 
37. Evans I, 1984, A theory of the cutting force for point attack picks. Min 
Eng, 2: 63-71. 
38. Evans I, 1984, Basic mechanics of the point attack pick. Colliery 
Guardian, 232: 189-193. 
39. Evans I và Editor. A. In: Clark Gb, 1961, A theory of the basic 
mechanics of coal ploughing. Proceedings of the international 
symposium on mining research, 2: 761-768. 
40. Ludlow J. và Jankowski Ra., 1984, Use ower shearer drum speeds to 
achieve deeper coal cutting. Min Eng, 36: 3-7 
41. Zhang J., et al., 2007, Surface roughness optimization in an end-milling 
operation using the Taguchi design method. Journal of Materials 
Processing Technology, 184: pp. 233-239. 
42. Shyam Kumar Karna, Ran Vijay Singh và Rajeshwar Sahai, 2012, 
Application of Taguchi Method in Indian Industry. International Journal 
of Emerging Technology and Advanced Engineering, 2: pp. 387-391. 
43. Hurt Kg và Macandrew Km, 1985, Cutting efficiency and life of rock-
cutting picks. Min Sci Technol: 139-151. 
104 
44. E. Daniel Kirby, 2006, A parameter design study in a turning operation 
using the taguchi method. the Technology Interface. 
45. E. Daniel Kirby, Zhe Zhang và Joseph C. Chen, 2006, Optimizing 
surface finish in a turning operation using the Taguchi parameter 
design method. The International Journal of Advanced Manufacturing 
Technology: pp 1021–1029. 
46. Kuidong Gao, et al., 2015, Influence of the Drum Position Parameters 
and the Ranging Arm Thickness on the Coal Loading Performance 
Minerals 2015, doi:10.3390/min5040520, Vol. 5: 723-736 pp. 
47. Mukesh Kumar và Sandeep Malik, 2013, Optimizing the process 
parameters of machinability through the Taguchi Technique. 
International Journal of Enhanced Research in Science Technology & 
Engineering, 2: pp. 48-57. 
48. Nguyen K L, et al., 2018, Justification of process of loading coal onto 
face conveyors by auger heads of shearer-loader machines. . IOP 
Conference Series: Materials Science and Engineering Volume 327 
042132 doi:10.1088/1757-899X/327/4/042132. 
49. N. Lakshmanaswamy và H. M. Somashekar, 2008, Optimization of 
Machinability Parameters using Taguchi Techniques. International 
Conference on Operations Research, S V University, Thirupathi. 
50. N. Lakshmanaswamy và H. M. Somashekar, 2011, Optimization of 
Turning parameters for machinability using Taguchi technique- An 
Experimental Investigation. 26th Indian Engineering Congress, 
Institution of Engineers ( India). 
51. Et Al N. Bilgin, 2006, Dominant rock properties affecting the 
performance of conical picks and the comparison of some experimental 
105 
and theoretical results. International Journal of Rock Mechanics and 
Mining Sciences, vol. 43: pp. 139-156. 
52. Gauri Sk Pal S, 2010, Multi-response optimization using multiple 
regression-based weighted signal-to-noise ratio (MRWSN). Qual Eng, 
22: 336-350. 
53. Peng S.S., October 2006, Longwall Mining. U.S.: 2
nd 
edition. . 
54. Yildiz T và Gur A., 2011, The Optimization of abrasive wear behavior 
of fecrc coating composite with Taguchi method. Australian Journal of 
Basic and Applied Sciences: pp. 2394-2402. 
55. Wahyudin, et al., 2017, Application of Taguchi method and ANOVA in 
the optimization of dyeing process on cotton knit fabric to reduce re-
dyeing process. IOP Conference Series Earth and Environmental 
Science 109 (1): 012023. 
56. Parr Wc, 1989, Introduction to Quality Engineering: Designing Quality 
Into Products and Processes. Technometrics, 31: 255-256. 
57. Tarng Y. và Yang W., 1998, Optimization of the weld bead geometry in 
gas tungsten arc welding by the Taguchi method. International Journal 
of Advanced Manufacturing Technology, 14: pp. 549-554. 
58. Daolong Yang, et al., 2014, Yanxiang Wang Experimental and 
theoretical design for decreasing wear in conical picks in rotation-
drilling cutting process. The International Journal of Advanced 
Manufacturing Technology: p 12. 
Tiếng Nga: 
59. Гост P 51047-97, 1997, Резцы для очистных и проходческих 
комбайнов. Общие технические требования. - М.: Госстандарт РФ. 
106 
60. Инструмент Для Очистных И Проходческих Комбайнов: 
Тангенциальные Поворотные Резцы. Радиальные Резцы. Втулки И 
Резцедержатели. Аксессуары: Каталог. [Электронный Ресурс]. – 
Режим Доступа: 
61. Каталог Выпускаемой Продукции Компании Бетек (Электронный 
Ресурс). – Режим Доступа: 
62. Фролов А.Г. và Дарыкин И.Н., 1974, К определению максимальных 
нагрузок на шнековые исполнительные органы выемочных 
комбайнов. Науч.сообщения ИГД им.А.А. Скочинского: с.34-63. 
63. 2008 Айкхофф Sl1000 Очистной Комбайн Будущего Для 
Разрушения Мощных Пластов. - Уголь, №10, С.16. 
64. Афанасьев В.Я và Линник В.Ю., 2010, Выбор параметров 
исполнительных органов очистных комбайнов применительно к 
конкретным условиям эксплуатации. В сб.: Горный 
информационно-аналитический бюллетень (научно-технический 
журнал). – М.: МГГУ: − № 12. С. 348 - 355. . 
65. Александров Б.А. và И Др., 1991, Расширение технологических 
возможно¬стей механизированных крепей. Кемерово: филиан 
изд-ва Томского ун-та при Кем.ун-те. 
66. В.Л. Бобров, 2012, Повышение износостойкости тангенциальных 
резцов проходческих комбайнов совершенствованием термической 
обработки при их изготовлении. дис. канд. техн. наук: 05.05.06: - 
СПб. - 128 с. 
67. Нацвлишвили В.3., 1981, Определение рациональных 
геометрических параметров и углов установки поворотных 
107 
резцов для проходческих комбайнов. автореф. дис.  канд. техн. 
наук: 05.05.06 / Кекелидзе Зураб Шахметович. 
68. Ржевский В.В, 1991, Проблемы горной промышленности и 
комплекса горных наук. М. Изд–во МГИ. 
69. Модинов В.В., 1992, Экспериментальные исследования и 
определение производительности шнековых исполнительных 
органов. - В сб.:Научные основы установления рациональных 
параметров средств выемки и доставки полезных ископаемых. 
М.:Наука: - С. 70-78. 
70. Ржевский В.В., 1991, Проблемы горной промышленности и 
комплекса горных наук. – М., Изд–во МГИ. 
71. 3айков В.И. và Берлявский Г.П., Эксплуатация горных машин и 
оборудования. . - М.: Недра:, 2001. 
72. Морозов В.И., Чуденков В.И. và Сурина Н.В., 2006, Очистные 
комбайны. – М.: МГГУ. 
73. Чуденков В.И., 2007, Создание отечественного очистного 
комбайна для отработки средних пластов. - М.: Изд-во 
Московского государственного горного университета: - 482с. 
74. Малеев Г.В., et al., 1988, Проектирование и конструкирование 
горных машин и комплексов. -М.: Недра. 
75. Ягодкин Г.И., 1983, О влиянии механизации очистных работ на 
производительность труда. Науч. тр./ ИГД им. Скочинского. : - 
C.75-78. 
76. Л.Б. Глатман, 1981, Поворотные резцы для проходческих 
комбайнов. Научные сообщения Акад. наук СССР. - М.: ИГД. : - С. 
7-11. 
108 
77. Глатман Л.Б., et al., 1978, Инструмент очистных и проходческих 
комбайнов.: Горн, и нефтепромысл. машиностроение. - М.: 
ВИНИТИ. 
78. Горбатов П.А. và Птрушкин Г.В. И Др., 2006, Горные машины для 
подземной добычи. Vol. 669 с.: Донецк.: изд-во Донерцкого 
национального технического университета. 
79. Кузнецов Б.А. Гуляев В.Г., Горбатов П.А., 1975, Частотные 
характеристики двухкомпонентного тензокулака для измерения 
сил, действующих от угля на резец исполнительного органа 
угледобывающего комбайна Разработка месторождений полезных 
ископаемых. : С.99-104. 
80. Семенченко Д.А., 2001, Влияние кинематических изменений 
заднего и переднего углов поворотного резца на формирование 
усилия подачи. Научные труды ДонГТУ.: - С. 340 - 344. 
81. Тургель Д.К., 2007, Горные машины и оборудование подземных 
разработок: Учебное пособие. Екатеринбург: Изд-во УГГУ. 
82. Каталог Выпускаемой Продукции Компании «Копейский 
Машиностроительный Завод» [Электронный Ресурс]. – Режим 
Доступа: và  
83. М.Г. Крапивин và Раков И.Я., 1990, Горные инструменты - М.: 
Недра. 
84. В.М. Курбатов và Нацвлишвили В.З., 1979, Исследование износа 
резцов РКС-1. Научные сообщения Акад. наук СССР: 178. - С. 
85. Маметьев Л.А., 2013, Тенденции формирования парка 
проходческих комбайнов на шахтах Кузбасса Вестн. Кузбасского 
гос. тех. унив. №2. С. 14-16. 
109 
86. Глатман Л.Б., 1978, Состояние и перспективы использования 
механического способа разрушения пород для создания 
проходческих комбайнов. Теория и практика разрушения углей и 
горных пород: Материалы Науч. Совета по пробл. «Новые 
процессы и способы пр-ва работ в горн. Деле» Гос. ком Совета 
Министерств СССР по науке и технике. - М.: ИГД: - С. 61-62. 
87. Глатман Л.Б. và Леванковский И.А., 1993, Основные аспекты 
создания новых поколений поворотных резцов для разрушения 
горных пород. Горный вестник - С. 54-60. 
88. Кантович Л.И. và Гетопанов В.Н, 1989, Г.орные машины: учебник 
для техникумов. - М.: Недра, - 304 с. 
89. Нгуен Кхак Линь và Габов Виктор Васильевич, Патент, 
Погрузочный щиток с лемехом выемочного комбайна со 
шнековым исполнительным органом 05.04.2018 Бюл. № 34. 
90. Талеров М.П., 2012, Повышение эффективности применения 
поворотных резцов проходческих комбайнов выбором 
рациональных геометрических параметров инструментов. дис.  
канд. техн. наук: Талеров Михаил Павлович. – СПб. 
91. Нгуен Кхак Линь, Габов Виктор Васильевич và Задков Денис 
Александрович, Патент, Исполнительный орган очистного 
комбайна. 05.12.2017 Бюл. № 34. 
92. Гopбaтoв П.A., et al., 2006, Гopныe мaшины для пoдземной добычи 
угля. Донeцк. 
93. Позин Е. З., Меламед В. З. và Тон В. В., 1984, Разрушение угля 
выемочными машинами. – М.: Недра. 
110 
94. Солод В.И., Гетопанов В.Н. và Рачек В.М., 1982, Проектирование 
и конструирование горных машин и комплексов. -М.: Недра. 
95. Солод В.И., Зайков В.И. và Первов К.М., 1981, Горные машины и 
автоматизированные комплексы. М.:, «Недра». 
96. Стариков А.П., et al., Исполнительный орган горного комбайна для 
выемки угля в пластах. 2012. p. Бюл. № 5. 
97. Фам Ван Тиен và Нгуен Кхак Линь, 2018, Анализ влияния горно-
геологических условий угольных пластов на ресурс работы 
поворотных резцов очистных комбайнов Журнал научных 
публикаций аспирантов и докторантов, № 1-2: С 53-55. 
98. Топчиев А.В. và Ведерников В.И., 1960, Горные машины – 
справочник. – М.: ГНТИзд литературы по горному делу. 
99. Топчиев А.В., Ведерников В.И. và Коленцев М.Т., 1971, Горные 
машины и комплексы. – М., «Недра». 
100. Клейнерт Х.В., 1989, Состояние технологии разрушения пород 
исполнительными органами комбайнов избирательного действия. 
Глюкауф на русском языке. - Glückauf GmbH.Essen, – №15/16. – С. 
25-31. 
101. А.А. Хорешок và Кузнецов В.В., 2008, О состоянии и 
перспективах развития средств механизации горнопроходческих 
работ в условиях Кузнецкого угольного бассейна. Горная техника: 
- С.86-90.