Arch. Min. Sci., Vol. 55 (2010), No 4, p. 747–760

Arch. Min. Sci., Vol. 55 (2010), No 4, p. 747–760
747
Electronic version (in color) of this paper is available: http://mining.archives.pl
PIOTR CHELUSZKA*
A METHOD OF MEASURING THE STEREOMETRIC PARAMETERS OF WORKING UNITS
OF MINING MACHINES EQUIPPED WITH CONICAL PICKS
METODA POMIARU PARAMETRÓW STEREOMETRYCZNYCH ORGANÓW ROBOCZYCH
GÓRNICZYCH MASZYN URABIAJĄCYCH WYPOSAŻONYCH W NOŻE STOŻKOWE
The efficiency of mining the rock and other materials with mining machines used in the mining,
construction and road industry is largely dependant upon the stereometry of their working units. The
stereometry is determined at the design stage using dedicated software, individually for the mining
machine’s specific working conditions. Inspecting the conformity of pickboxes’ arrangement and setting
to the working documentation plays an important part in the manufacturing process of working units
for mining machines. The inspection generally consists of measuring the stereometric parameters being
a set of values determining a position on the side surface and spatial arrangement of each pickbox. The
methods currently in use are very time- and work-consuming and feature poor accuracy, especially when
measuring angles determining the spatial arrangement of individual pickboxes. The design and operation
of the instruments used for this purpose is often complicated.
The measurement method and mathematical measurement model established allow to determine,
relatively easily, the spatial arrangement and setting of pickboxes at the side surface of working units in
mining machines equipped with conical picks (tangential rotary) with the required measuring accuracy
using typical measuring instruments used commonly in the metrology of geometric values and in the
coordination measuring technique. It is an indirect method based on the measurement of translation coordinates of three non-collinear characteristic measuring points for the pickbox in the three-dimensional
space of the measuring station.
Keywords: mining machine, working unit, pickboxes setting, stereometric parameters measurement,
geometric values metrology
Skuteczność realizacji procesu urabiania skał kombajnami górniczymi determinowana jest w istotny
sposób stereometrią ich organów roboczych – głowic urabiających – w przypadku kombajnów chodnikowych oraz organów urabiających – w przypadku kombajnów ścianowych. Parametry stereometryczne
organów roboczych maszyn urabiających charakteryzujące sposób rozmieszczenia i ustawienia w przestrzeni uchwytów nożowych przyspawanych do ich pobocznicy oraz geometria osadzonych w nich
noży mają bowiem istotny wpływ na przebieg procesu skrawania skał. Stereometria głowic (organów)
*
INSTITUTE OF MINING MECHANISATION, FACULTY OF MINING AND GEOLOGY, SILESIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 44-100 GLIWICE, UL. AKADEMICKA 2, POLAND
748
urabiających decyduje w rezultacie w dużym stopniu o wydajności tego procesu, jego energochłonności
oraz intensywności zużycia noży. Wpływa ona ponadto na stan obciążenia noży oraz wielkość i charakter
obciążenia dynamicznego głównych podzespołów kombajnu, w tym przede wszystkim napędu w układzie urabiania oraz jego ustroju nośnego, decydującego w dużej mierze o trwałości i niezawodności
działania tego rodzaju maszyn. Określana jest ona dlatego na etapie projektowania z wykorzystaniem
dedykowanego oprogramowania komputerowego indywidualnie dla określonych warunków zastosowania
maszyny urabiającej.
Istotną rolę w procesie wytwarzania spełnia kontrola zgodności rozmieszczenia i ustawienia uchwytów
nożowych z dokumentacją techniczną na każdym etapie produkcji organów roboczych maszyn urabiających, w szczególności zaś w trakcie sczepiania oraz po ich ostatecznym przyspawaniu. Błędy montażowe,
czy zastosowanie niewłaściwej technologii spawania uchwytów nożowych mogą bowiem być przyczyną
nawet dużych rozbieżności rzeczywistego i nominalnego ich położenia. Skutkować to może nieprawidłowym działaniem organów roboczych, co w rezultacie prowadzić będzie do niskiej skuteczności działania
maszyny urabiającej, przeciążania jej napędów i niepożądanych drgań, nadmiernego zużycia energii
oraz materiałów eksploatacyjnych, a także zwiększonej awaryjności. Kontrola prawidłowości położenia
uchwytów nożowych sprowadza się do pomiaru parametrów stereometrycznych organów roboczych,
stanowiących zbiór wielkości opisujących rozmieszczenie na pobocznicy oraz ustawienie w przestrzeni
każdego uchwytu nożowego. Pomiar parametrów stereometrycznych organu roboczego maszyny urabiającej polega więc na wyznaczeniu wartości co najmniej sześciu parametrów geometrycznych dla każdego
zamocowanego na nim uchwytu nożowego. Parametrami tymi są przy tym (rys. 1):
− odległość wierzchołka ostrza noża (punktu S) od osi obrotu organu roboczego mierzona w płaszczyźnie obrotu – r,
− odległość wierzchołka ostrza noża S od płaszczyzny bazowej XY – z,
− kąt zawarty pomiędzy prostą przechodzącą przez wierzchołek ostrza noża S i punkt T oraz prostą
równoległą do osi X leżącą w płaszczyźnie obrotu rozpatrywanego noża – ϑ,
oraz trzy kąty charakteryzujące usytuowanie w przestrzeni osi noża (osi gniazda w uchwycie nożowym)
oraz płaszczyzny symetrii uchwytu nożowego przechodzącej przez tę oś, to znaczy (rys. 2):
− kąt ustawienia osi noża (δ) – będący kątem nachylenia osi noża (SQ) do płaszczyzny przyłożenia
(CFES), mierzony w umownej płaszczyźnie symetrii noża (AQFS),
− kąt odchylenia osi noża (ε) – określający odchylenie umownej płaszczyzny symetrii noża (AQFS)
od płaszczyzny obrotu (ABCS),
− kąt wychylenia uchwytu nożowego (Θ) – zdefiniowany jako kąt obrotu płaszczyzny symetrii uchwytu
nożowego wokół osi noża (SQ) mierzony od umownej płaszczyzny symetrii noża (AQFS).
Ze względu na niejednokrotnie dużą liczbę uchwytów nożowych, w które wyposażone są organy
robocze maszyn urabiających, procedura pomiaru wymienionych wielkości jest jak dotąd skomplikowana
i cechuje się niezwykle dużą czaso- i pracochłonnością, szczególnie w zakresie pomiaru kątów determinujących ustawienie w przestrzeni poszczególnych uchwytów nożowych. Wykorzystywane w tym celu
przyrządy pomiarowe są przy tym niejednokrotnie skomplikowane w budowie i obsłudze.
Opracowana została dlatego metoda oraz model matematyczny pomiaru pozwalające na stosunkowo
proste określenie przestrzennego rozmieszczenia i ustawienia uchwytów nożowych na pobocznicy organów
roboczych maszyn urabiających wyposażonych w noże stożkowe (styczne obrotowe) z wymaganą dokładnością pomiarową, z wykorzystaniem typowych przyrządów pomiarowych stosowanych powszechnie
w metrologii wielkości geometrycznych oraz współrzędnościowej technice pomiarowej.
Dla potrzeb realizacji sformułowanego zadania metrologicznego przyjęto metodę pomiarową pośrednią opartą na pomiarach wielkości podstawowych wchodzących do definicji mierzonych wielkości
(Jakubiec & Malinowski, 2004). Wartości poszukiwanych wielkości (parametrów stereometrycznych
organu roboczego maszyny urabiającej) wyznacza się przy tym, w oparciu o pomiar łatwo mierzalnych
wielkości geometrycznych. W rozważanym przypadku wielkościami tymi będą współrzędne translacyjne
trzech niewspółliniowych charakterystycznych punktów uchwytu nożowego w przestrzeni trójwymiarowej stanowiska pomiarowego wyznaczonej przez osie globalnego układu odniesienia X0 Y0 Z0 (rys. 5).
Założono, że punkty te rozmieszczone są w płaszczyźnie symetrii uchwytu nożowego w następujący
sposób (rys. 6):
− punkt S – odwzorowuje położenie wierzchołka ostrza noża związanego z rozpatrywanym uchwytem
nożowym,
− punkt S1 – leży na przedłużeniu osi podłużnej noża (osi gniazda w uchwycie nożowym),
− punkt S2 – leży na prostej prostopadłej do osi podłużnej noża.
749
Procedura pomiaru parametrów stereometrycznych organu roboczego maszyny urabiającej sprowadza
się tu więc do pomiaru dla każdego uchwytu nożowego współrzędnych translacyjnych charakterystycznych
trzech punków pomiarowych: S(xS, yS, zS), S1(xS1, yS1, zS1) i S2(xS2, yS2, zS2) w kierunku osi globalnego
układu współrzędnych X0Y0Z0 stanowiska pomiarowego. Zakłada się przy tym, że znane jest położenie
osi obrotu organu roboczego (osi Z) oraz płaszczyzny bazowej XY w tej przestrzeni pomiarowej. Początek
lokalnego układu współrzędnych XYZ związanego z organem roboczym, dla którego realizowany będzie
pomiar znajduje się zatem w odległości: x0, y0, z0, od początku układu współrzędnych X0Y0 Z0 (rys. 5).
Zakłada się ponadto, że płaszczyzna XY jest równoległa do płaszczyzny X0Y0.
Wartości współrzędnych wymienionych punktów stanowią dane wejściowe umożliwiające wyznaczenie wartości poszukiwanych parametrów stereometrycznych z wykorzystaniem adekwatnych funkcji
przejścia opisanych wzorami (1)-(18). Znak „+” we wzorze (14) i (15) odnosi się do prawego organu
roboczego, zaś znak „–” ma zastosowanie przy obliczaniu wartości kąta ϑ1 i δ1 dla uchwytów rozmieszczonych na pobocznicy organu lewego.
Opracowana metoda stanowi wygodne narzędzie zwłaszcza w zakresie pomiaru kątów determinujących ustawienie uchwytów nożowych bez konieczności stosowania skomplikowanych, uciążliwych
w obsłudze i najczęściej mało dokładnych przyrządów pomiarowych wyposażonych w kątomierze.
Wykorzystana tu metoda pomiaru pośredniego oparta na wyznaczaniu na drodze pomiarowej wartości
współrzędnych translacyjnych trzech charakterystycznych punktów pomiarowych uchwytów nożowych
umożliwia zastosowanie w tym celu dowolnych technik pomiarowych – stykowych lub bezstykowych
– stosowanych powszechnie w budowie maszyn w metrologii wielkości geometrycznych.
O przydatność opracowanej metody dla potrzeb metrologii organów roboczych maszyn urabiających decydować będzie możliwa do uzyskania dokładność pomiaru ich parametrów stereometrycznych.
Określenie tej dokładności wymaga przeprowadzenia analizy niepewności pomiaru wielkości opisujących
stereometrię rozpatrywanych tu organów roboczych. Wyniki tych badań przedstawione zostaną w artykule
zamieszczonym w zeszycie 1 kwartalnika Archives of Mining Science w roku 2011.
Słowa kluczowe: maszyna urabiająca, organ roboczy, ustawienie uchwytów nożowych, pomiar parametrów stereometrycznych, metrologia wielkości geometrycznych
1. Introduction
The working process of mining machines used in the underground and stripping mining
industry and in tunnel construction is generally performed in connection with rock mining. According to the type and properties of rocks deposited within the area of the face of operating workings, opening workings and development workings or tunnels, it can be achieved using different
techniques and methods. The mining process using mining machines in the underground mining
and tunnel construction industries is generally performed by: cutting, static pressure or stroke.
The basic mechanical mining method carried out by roadheaders/longwall shearers, however, is
mining by cutting with rotary tangential picks (conical picks), radial picks or optionally – with
disc tools (Jonak, 2002; Kotwica & Gospodarczyk, 2007; Krauze, 2000; Krauze & Kotwica,
2007; Krauze et al., 2009; Rostami et al., 1995; Sikora et al., 2000).
The efficiency of rock mining with roadheaders/shearers is substantially determined with
the stereometry of their working units – cutting heads – for roadheaders and cutting drums – for
longwall shearers. The stereometric parameters of cutting heads and drums of mining machines
characterising the method of arranging and setting in the space the pickboxes welded to the side
surface and the geometry of the picks seated in them have, therefore, a significant effect on the
progress of the rock mining process. The stereometry of cutting heads (drums) is decisive to
a large extent for process efficiency, its energy consumption and pick wear rate. It also influences
the load applied on the pick, as well as the value and character of dynamic load on the main
components of the roadheader (shearer), including in particular the drive in the cutting system
750
and its load-carrying structure, decisive – to a large degree – for the durability and reliability of
such machine’s operation.
The system of picks at the side surface of mining machines’ working units in mining machines, hence the number and method of arranging and setting the pickboxes in the space are
determined at the design stage, on a case-to-case basis for the specific conditions of the roadheader’s (shearer’s) application. Dedicated software for supporting and optimising the design
process of working units in mining machines is used for that purpose (Dolipski et al., 2007;
Hurt & Morris, 1985; Jonak, 2001; Rostami et al., 1994; Speight, 1997; Tiryaki et al., 2001).
The control of pickbox arrangement and setting conformity to technical documentation at each
stage of mining machines working units’ production is, therefore, important for the manufacturing process, in particular during joining and after final welding. Assembly errors or improper
welding technology for pickboxes may cause even substantial deviations for their actual and
nominal placement. It may result in the incorrect operation of working units, which in turn will
lead to the mining machine’s low operating efficiency, overloads for its drives and undesired
vibrations, excessive consumption of energy and the wear of consumables and finally an increased
failure rate.
The control of pickboxes’ correct position consists of measuring the stereometric parameters
of working units being a set of values determining a position on the side surface and spatial arrangement of each pickbox. The stereometric parameters of a mining machine’s working unit are
thus measured by determining the values of at least six geometric parameters for each pickbox
attached to it. Due to often a large number of pickboxes of mining machines working units,
a measuring procedure for their position has been complex so far and has been very time- and
work-consuming.
The issue of designing and producing mining machines working units, including also the
measurement of their stereometry, steps beyond the manufacturing of machines for the mining
industry. Mining machines or the working accessories of other machines (for example excavators) equipped with working units with their design and operating method similar to roadheaders/shearers are also used in construction and road works for mining rock, concrete, asphalt or
other materials with similar properties.
2. Formulation of metrological task
The position of pickboxes at the side surface of a mining machine’s working unit is defined
with spatial coordinates in the cylindrical system representing the position of the pick tip seated
in the considered pickbox (Dolipski & Cheluszka, 1999). The parameters for each pickbox are,
therefore (Fig. 1):
− the distance of pick tip (point S) from the axis of rotation of the working unit measured
in the plane of rotation, i.e. the plane crossing the point S perpendicular to the axis of
rotation of the working unit (axis Z of the local XYZ reference system) – r,
− the distance of pick tip S from the base plane XY – z,
− the angle between the line going through the tip S of the pick and point T and the line
parallel to the axis X lying in the plane of rotation of the considered pick – ϑ.
The distance of the tip of the considered pick r is the diameter of the circle lying in the
plane perpendicular to the axis of rotation of the working unit (rotation plane) where the pick tip
751
Fig. 1. Parameters describing the spatial arrangement of pick tips
is arranged (point S). The plane is away from the base plane XY connected with the base of the
mining machine’s working unit base by value z.
The setting of pickboxes is a result of the spatial position of the pick’s longitudinal axis
determining the position of pickbox socket’s axis, in which its mandrel is seated and a result of
the shape of the mining machine working unit’s side surface in the surrounding of the pickbox
base’s contact with such side surface.
The issue of describing pickboxes spatial arrangement at their side surface is complicated
for the working units of mining machines equipped with tangential rotary picks (Jonak, 2002;
Menzel & Frenyo, 1995). The different methods of defining the parameters describing such setting are employed. The local reference system where the situation of each of the pickboxes is
determined, may be connected with the pick tip and with the diameter of the circle onto which
it is arranged, optionally with the pickbox base.
In order to determine unequivocally the spatial position of pickboxes, when the position
of the tip of the related pick is known, it is therefore enough to give the values of three angles
characterising the spatial position of the pick axis (seat axis in the pickbox) and the plane of
symmetry of the pickbox going through the axis.
It was assumed that the angles describing pickbox setting will be defined in the reference
system determined for each pickbox with three mutually perpendicular planes (Dolipski & Cheluszka, 2002), i.e. (Fig. 2):
− plane of rotation (ABCS) – perpendicular to the axis of rotation of the working unit (axis Z),
− plane of incidence (ADES) – defined by the axis of rotation of the working unit and the
—
—
tip S of the pick related to the considered pickbox (sections: AD and SE are parallel to
axis Z),
− the plane of application (CFES) – transiting through the tip S of the pick.
752
The angles in such defined reference system include (Fig. 2):
− pick axis setting angle (δ) – being the pick axis inclination angle to the plane of application (CFES) measured in the agreed plane of symmetry of the pick (AQFS),
− pick axis inclination angle (ε) – determining the deflection of the agreed pick symmetry
plane (AQFS) to the plane of rotation (ABCS),
− pickbox deflection angle (Θ) – defined as the angle of rotation of the plane of pickbox
symmetry around the pick axis (SQ) measured from the agreed pick symmetry plane
(AQFS).
The agreed plane of symmetry of the pick is understood here as the plane going through
the longitudinal axis of the pick (pickbox seat) that coincides with the plane of rotation (ABCS)
when the pick axis inclination angle ε = 0. If angle ε is different than zero, than the plane is rotated
around radius r (straight SA) by the value of such angle.
Fig. 2. Parameters characterising the arrangement of pickboxes in the space
The adopted definition of angles describing the spatial arrangement of pickboxes is clearly
detailing the method of their arrangement at the side surface of a mining machine’s working unit.
A pickbox is first rotated around the axis going through the point representing the position of the
pick tip by angle δ, whereas the pickbox’s plane of symmetry is lying in the plane of rotation and
thus determines the agreed plane of symmetry of the related pick. Next, the pickbox is rotated
753
around radius r (SA straight) by angle ε, thus the pickbox’s plane of symmetry still coinciding
with the agreed plane of symmetry of the pick is deflected from the plane of rotation by the
value of this angle. At the end, the pickbox is rotated around the axis of the socket made inside
the pickbox by angle Θ. As a result, the pickbox’s plane of symmetry is rotated in relation to the
agreed plane of symmetry of the pick by the value of angle Θ.
The right or left working units of mining machines are distinguished considering the method
of arranging pickboxes at the side surface. The left working unit is the mirror reflection of the
right working unit with respect to the plane going though its axis of rotation (axis Z). The right
and left working unit is differentiated according to the twisting direction of helixes along which
pickboxes are arranged at its side surface. It does not change the method of defining the abovementioned angles.
The values of mining machine working units’ stereometric parameters have been determined so far by measuring spatial coordinates (in a cylindrical system or Cartesian system) of
the position reference point of the pick tip related to the considered pickbox and by measuring
immediately the three characteristic angles describing the spatial position of the pickbox. The
measurement of coordinate values of the pick tip in the space with the assumed, even high accuracy, is not a problem. Different measuring instruments can be used for this purpose, including
also coordinate machines (Fig. 3).
Fig. 3. A station for measuring the stereometry of mining machines working units
(Source: Komotzki Bergbaubedarf GmbH)
The determination of the angles describing the position of pickboxes by measuring them
directly is difficult. This applies in particular to roadheader’s cutting heads that are relatively
small items often provided with multiple pickboxes located close to one another. The large con-
754
centration of pickboxes on a small area of the cutting head’s side surface and their complicated
spatial positioning makes it very difficult to measure the values with the required accuracy using
traditional measuring instruments (protractor). The instruments have also frequently complicated
design and operation (Fig. 4).
Fig. 4. An instrument for measuring the angles of pickboxes setting (Kleinert, 1989)
The measurement of the mining machine working unit’s stereometric parameters is therefore
consisting in defining, through measurements, for all or chosen pickboxes they are provided with,
a set of six parameters – the distance of the point representing the location of the pick tip to the
axis of the reference system XYZ (radius of the circle on which it is situated and the distance
of the plane of rotation to the base plane XY) and four angles (ϑ, δ, ε, Θ). The article presents
a solution of the metrological task defined this way that allows to determine, relatively simply,
the spatial arrangement and setting of pickboxes at the side surface of mining machines’ working
units with the required measuring accuracy, using typical measuring instruments used for the
metrology of geometric values and for the coordination measuring technique.
3. Mathematical model of measuring the stereometric
parameters
An indirect measuring method based on the measurement of the basic values covered by
the definition of the values measured (Jakubiec & Malinowski, 2004) was adopted for implementing the metrological task adopted above. The values sought for (mining machine working
unit’s stereometric parameters) are determined by measuring the geometric values that are easy
to measure. In this case, such values will be the translational coordinates of three non-collinear
755
characteristic pickbox points in the three-dimension space of the measuring station determined
by the axes of the global reference system X0Y0 Z0 (Fig. 5). It was assumed that such points are
arranged in the plane of symmetry of the pickbox as follows:
− point S – represents the position of the pick’s tip related to the considered pickbox,
− point S1 – lies at the extension of the pick’s longitudinal axis (socket axis in the pickbox),
− point S2 – lies at the line perpendicular to the pick’s longitudinal axis.
Fig. 5. Spatial orientation of the local system of coordinates XYZ in the global system X0Y0 Z0
and the method of arranging pickbox measuring points
The distance of point S to the face of the pickbox is equal to the pick’s extension from
the pickbox ln. Point R (Fig. 6), being the intersection point of the pick’s longitudinal axis and
of the line perpendicular to it, going through point S2, lies at the distance of bU from point S.
For practical reasons, the distance may be slightly smaller than the pick’s extension from the
pickbox ln. On the other hand the distance of point S1 from point S and of point S2 from R – are
identified as: aU and cU.
A measurement procedure for the stereometric parameters of a mining machine’s working
unit consists, therefore, of measuring, for each of its pickbox, the translation coordinates of characteristic three measuring points: S(xS, yS, zS), S1(xS1, yS1, zS1) and S2(xS2, yS2, zS2) towards the
axis of the X0Y0 Z0 global system of coordinates of the measuring station. It is also assumed that
the position of the working unit’s axis of rotation (axis Z) and the base plane XY in the measuring space is known. The beginning of the local coordinate system XYZ related to the working
756
unit for which measurement is taken is located at the distance of x0, y0, z0, from the beginning
of the system of coordinates X0Y0 Z0. It is also assumed that that plane XY is parallel to plane
X0Y0. The values of coordinates for such points are then representing the input data allowing
to determine the values of the stereometric parameters searched using the appropriate transition
functions. The functions have the following form:
r = (xS - x0 )2 + ( yS - y0 )2
(1)
z = z 0 - zS
(2)
ì2p - jST - J1 ,
J=í
,
îjST + J1
for right working unit
(3)
for left working unit
é a 2 + ( z - z )2 × tg2d ù
S1
1ú
d = arccos ê U 2 S
ê
ú
a U × (1 + tg2d1)
ë
û
(4)
æ z - z S1 æ
çç
e = arcsin çç S
è aU × cos d è
(5)
ì
ésin e 1 × sin e × cosa1 - sin 2 e 1 × cos d 1 ù
é sin e 1 ù
ïarctg ê
ú + arctg ê
ú , when e ¹ 0
ï
ëtg (d 1 - a 2 )û
ëêtga1 × (cos d1 - sin e 1 × sin e × cosa1) ûú
Q=í
é yS - yS 2 - bU × cos (d1 + J1) ù
ï
, when e = 0
ú
ïarccos ê
cU × sin (d 1 + J1)
ë
û
î
(6)
The distance between individual measuring points are equal here:
aU = (xS1 - xS ) 2 + ( yS1 - yS ) 2 + (z S1 - zS ) 2
bU =
cU =
yS 2 - yS
y S1 - y S
zS 2 - zS
z S1 - z S
2
+
(7)
dU2 - cU2 - aU
zS 2 - zS
z S1 - z S
xS 2 - xS
xS1 - xS
(8)
2
+
xS 2 - x S
x S1 - xS
yS 2 - y S yS1 - y S
aU
2
(9)
whereas:
dU =
(xS1 - xS 2) 2 + ( yS1 - yS 2) 2 + (z S1 - z S 2) 2
(10)
Fig. 6. Geometric relationships in the model of measuring stereometric parameters of mining machine’s working unit
757
758
Auxiliary angles are described with the following formulas (Fig. 6):
a1 = arctg (sin d × tge )
(11)
é S ¢¢C × tga 3 - (z S 2 - z S ) ù
a 2 = arctg ê 2
ú
CS × tga 3
ëê
ûú
(12)
é CS × tge - (z S 2 - z S ) ù
a 3 = arctg ê
ú
êë CS × tgd 1 - S 2¢¢C úû
(13)
ì
æ y0 - y S æ
çç
ïarctg çç
è x S - x0 è
ï
ï
æ y - yS æ
ï
J1 = íarctg ç 0
ç x - x çç ± p
ï
0 è
è S
ï0,5p
ï
ïî- 0,5p
,
when x S > x0
,
when x S < x0 and y S > y0
,
when x S = x0 and y S £ y0
,
when x S = x0 and y S > y0
ì
æ xS 1 - xS æ
çç - J1 ,
ïarctg çç
d1 = í
è yS 1 - y S è
ï
,
î± (J1 - 0,5p )
when y S1 ¹ y S
(14)
(15)
when y S1 = y S
e 1 = arcsin (sin e × cos d )
(16)
CS = (xS - xS 2 ) × sin J1 + ( y S - y S 2 ) × cosJ 1
(17)
S 2¢¢C = (xS - xS 2 )× cosJ 1 - ( y S - y S 2 )× sin J 1
(18)
and
where (Fig. 5):
x0, y0, z0 — coordinates for the beginning of the local reference system XYZ measured in the
global system of coordinates X0Y0 Z0,
φST — angle of rotation of the working unit around axis Z during measurement made for the
considered pickbox, e.g. to ensure free access to it with measuring instruments.
Symbol “+” in the formulas (14) and (15) applies to the right working unit and symbol “–”
is used for calculating the value of angle ϑ1 and δ1 and pickboxes arranged at the left unit’s side
surface.
759
5. Conclusions
The method and mathematic model of measurement presented in this article enables to
determine the values of stereometric parameters of working units for mining machines equipped
with conical picks (tangential rotary). The method established is a convenient tool, especially
for measuring the angles determining the arrangement of pickboxes without having to use complicated measuring instruments with protractors that are difficult to operate and frequently have
poor accuracy. The indirect measurement method used here based on determining, through measurements, the values of translation coordinates values for three characteristic measuring points
of pickboxes, allows to use any measuring techniques for this purpose – contact or non-contact
techniques – used commonly for machinery construction in the metrology of geometric values.
An indicator verifying the suitability of the method established for the purpose of mining
machine working units’ metrology, will be the attainable measuring accuracy of their stereometric parameters. A measurement uncertainty analysis for the values describing the stereometry of
the working units considered here will have to be performed to determine such accuracy. The
results of this research will be presented in the article printed in the first book of Archives of
Mining Science in 2011.
References
Dolipski M., Cheluszka P., 1999. Dynamic model of a roadheader’s cutting system which incorporates transverse cutter
heads. Archives of Mining Sciences, vol. 44, Iss. 1, p. 113-146.
Dolipski M., Cheluszka P., 2002. Dynamika układu urabiania kombajnu chodnikowego. Wydawnictwo Politechniki
Śląskiej, Gliwice.
Dolipski M., Cheluszka P., Sobota P., 2007. Kryteria doboru głowic urabiających dla energooszczędnych kombajnów
chodnikowych. Przegląd Górniczy, 63, Nr 7-8, s. 64-70.
Hurt K.G., Morris C.J., 1985. Computer designed cutting heads improve roadheader performance. Tunnel & Tunnelling
17, Nr 3, p. 37-38.
Jakubiec W., Malinowski J., 2004. Metrologia wielkości geometrycznych. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa.
Jonak J., 2001. Wybrane aspekty optymalizacji konstrukcji i eksploatacji głowic do urabiania kamienia. I Międzynarodowa
Konferencja Techniki Urabiania, s. 383-404.
Jonak J., 2002. Urabianie skał głowicami wielonarzędziowymi. Wydawnictwo Naukowe „Śląsk”, Katowice.
Kleinert H.-W., 1989. Entwicklungsstand der Schneidtechnik von Teilschnitt-Streckenvortriebsmaschinen. Glückauf,
125, Nr 15/16, p. 904-911.
Kotwica K., Gospodarczyk P., 2007. Rozwiązanie organu kombajnu chodnikowego wyposażonego w narzędzia dyskowe.
Monografia „Nowoczesne metody eksploatacji węgla i skał zwięzłych”. Kraków, s. 395-410.
Krauze K., 2000. Urabianie skał kombajnami ścianowymi: podstawy doboru i projektowania elementów frezujących.
Wydawnictwo Naukowe „Śląsk”, Katowice.
Krauze K., Kotwica K., 2007. Selection and underground tests of the rotary tangential cutting picks used in cutting heads
of the longwall and roadway miners. Archives of Mining Sciences, vol. 52, Iss. 2, p. 195-217.
Krauze K., Kotwica K., Rączka W., 2009. Laboratory and underground tests of cutting heads with disc cutters. Archives
of Mining Sciences, vol. 54, Iss. 2, p. 239-260.
Menzel W., Frenyo P., 1995. Zastosowanie kombajnów chodnikowych z głowicami skrawającymi wzdłużnie i poprzecznie
do skrawania przekrojów cząstkowych. Wiadomości Górnicze, Nr 1, s. 16-20.
760
Rostami J., Ozdemir L., Neil D.M., 1994. Roadheaders performance optimization for miting and civil construction.
13th Annual Technical Conference, Las Vegas.
Rostami J., Ozdemir L., Asbury B., 1995. Mini-Disc Equipped Roadheader Technology for Hard Rock Mining. Third
International Symposium on Mine Mechanization and Automation, Vol. II, Golden Colorado.
Sikora W., Cheluszka P., Giza T., Sobota P., Mann R., Osadnik J., 2000. Określenie sił i energochłonności urabiania
nożami stożkowymi. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice.
Speight H.E., 1997. Observations on drag tool excavation and the consequent performance of roadheaders in strong
rock. The AusIMM Proc., 302, Nr. 1, p. 17-32.
Tiryaki B., Ayhan M., Hekimoglu O.Z., 2001. A New computer program for cutting head design of roadheaders and
drum shearers. 17th International Mining Congress and Exhibition of Turkey – IMCET, p. 655-662.
Received: 02 July 2010