Design of Full-section Rectangular Tunneling Devices and Experimental Study of Its Stable Rock-cutting Characteristics

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.02.023

Abstract

Abstract:

Aiming at the problems of complex cutter head form of full-section rectangular roadheader in existing coal mine roadway， difficulty in one-time tunneling forming of full-section. A method for implementing rectangular truncation was proposed based on the principle of Reuleaux motion， a kind of eccentric shaft planetary gear drive Reuleaux triangle single cutter head was designed based on the proposed method， and the motion trajectory simulation was carried out. A full-section rectangular cutterhead cutting test bench was built and multiple sets of tests under stable cutting states were carried out. The test results show that： the center fishtail cutter may increase the stability of the cutting processes， the vibration of X， Y and Z directions is greatly respectively reduced， the minimum reduction is as 42.107 %， and the maximum is as 51.753 %. The stable cutting rock sample tests under 11 groups of different cutting parameters were carried out， and the relationship among torque， oil pressure and cutting parameters was obtained. A concept of equipment economic cutting parameter region was proposed. The economic cutting parameter area of the cutterhead designed under the condition of the test rock sample is determined to be n_（N-p）min=［6.6，9.8］ r/min；v_（N-p）min=［14.25，18.3］ mm/min. The graphic difference rates among the theoretical section， the simulation section， the test section and the standard square are as 3.18 %， 5.09 % and 6.64 % respectively， which verifies the feasibility of the cutter to realize rectangular cutting.

Key words: full section, rectangular, tunnel boring machine, cutting characteristics, graphic difference rate, economic cutting parameter area

摘要：

针对现有煤矿巷道全断面矩形掘进机刀盘形式复杂、全断面一次掘进成形困难等问题，提出了一种基于勒洛三角形运动原理实现矩形截割的方法，设计了一种基于所提方法的偏心轴行星齿轮驱动勒洛三角形单刀盘，进行了运动轨迹仿真，搭建了全断面矩形刀盘截割试验台，进行了稳定截割状态下的多组试验。试验结果表明：中心鱼尾刀能增加截割过程的稳定性，较大程度地减小了X、Y、Z方向的振动，减小幅度最小达42.107%，最大达51.753%；进行了11组不同截割参数下的稳定截割岩样试验，得到了扭矩、油压与截割参数的变化关系，提出了设备经济截割参数区域的概念，确定了在试验岩样下所设计的刀盘经济截割参数区域为：转速n_（N-p）min=［6.6，9.8］ r/min，掘进速度v_（N-p）min=［14.25，18.3］ mm/min；对截割后的岩样断面轮廓进行三维扫描、重构和比对，得到理论断面、仿真断面、试验断面与标准正方形之间的图形差异率依次为3.18%、5.09%、6.64%，验证了该刀盘实现矩形截割的可行性。

关键词: 全断面, 矩形, 掘进机, 截割特性, 图形差异率, 经济截割区域

CLC Number:

TD421

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Figures/Tables 14

Fig.1 Geometric relationship of Reuleaux triangle when it moves in a square

Fig.2 The motion trajectory simulation of each tool of the eccentric shaft planetary gear drive Reuleaux triangle single cutter head

Fig.3 The schematic diagram of the structure of the test bench

Fig.4 A full view of the test bench

Fig.5 Test process and results of mechanical parameters of rock samples

Fig.6 Sensors connection and arrangement

Fig.7 The whole flow

Fig.8 Comparison of cutting process with and without center fishtail cutter

Tab.2 The influence of fishtail cutter with and without center on cutting characteristics

试验序号	试验类型	油压/MPa		扭矩/（N·m）		X方向最大振动/（m·s $- 2$ ）		Y方向最大振动/（m·s $- 2$ ）		Z方向最大振动/（m·s $- 2$ ）
试验序号	试验类型	单次试验值	三次试验平均值	单次试验值	三次试验平均值	单次试验值	三次试验平均值	单次试验值	三次试验平均值	单次试验值	三次试验平均值
1	有中心鱼尾刀	3.668	3.667	50.393	50.41	10.697	12.333	12.065	14.123	8.328	9.414
2		3.664		50.439		15.595		18.25		11.325
3		3.669		50.397		10.708		12.055		8.588
4	无中心鱼尾刀	3.525	3.524	48.732	48.634	25.676	21.675	30.305	29.272	18.436	16.261
5		3.522		48.472		18.123		27.207		14.783
6		3.526		48.699		21.226		30.305		15.563
有中心鱼尾刀产生的改变量（以平均值计算）/%		↑4.058		↑3.652		↓43.100		↓51.753		↓42.107

Tab.2 The influence of fishtail cutter with and without center on cutting characteristics

试验序号	试验类型	油压/MPa		扭矩/（N·m）		X方向最大振动/（m·s $- 2$ ）		Y方向最大振动/（m·s $- 2$ ）		Z方向最大振动/（m·s $- 2$ ）
试验序号	试验类型	单次试验值	三次试验平均值	单次试验值	三次试验平均值	单次试验值	三次试验平均值	单次试验值	三次试验平均值	单次试验值	三次试验平均值
1	有中心鱼尾刀	3.668	3.667	50.393	50.41	10.697	12.333	12.065	14.123	8.328	9.414
2		3.664		50.439		15.595		18.25		11.325
3		3.669		50.397		10.708		12.055		8.588
4	无中心鱼尾刀	3.525	3.524	48.732	48.634	25.676	21.675	30.305	29.272	18.436	16.261
5		3.522		48.472		18.123		27.207		14.783
6		3.526		48.699		21.226		30.305		15.563
有中心鱼尾刀产生的改变量（以平均值计算）/%		↑4.058		↑3.652		↓43.100		↓51.753		↓42.107

Fig.9 The vibration suppression mechanism of the central fishtail knife

Tab.3 Multiple sets of stable cutting tests and their results

试验序号	截割参数		试验结果
试验序号	转速 n/（r·min $- 1$ ）	推进速度 v/（mm·min $- 1$ ）	油压p/MPa	扭矩 N/（N·m）
1	1.010	10.20	3.665	50.338
2	2.074	21.06	3.704	49.762
3	2.166	25.54	3.669	79.872
4	3.132	18.72	3.728	49.132
5	3.197	20.34	3.730	49.186
6	4.501	20.58	3.327	32.468
7	5.270	21.54	3.728	48.156
8	6.031	22.14	3.731	47.773
9	7.335	24.42	3.629	61.553
10	8.484	16.14	3.362	30.501
11	9.847	10.38	3.374	29.794

Tab.3 Multiple sets of stable cutting tests and their results

试验序号	截割参数		试验结果
试验序号	转速 n/（r·min $- 1$ ）	推进速度 v/（mm·min $- 1$ ）	油压p/MPa	扭矩 N/（N·m）
1	1.010	10.20	3.665	50.338
2	2.074	21.06	3.704	49.762
3	2.166	25.54	3.669	79.872
4	3.132	18.72	3.728	49.132
5	3.197	20.34	3.730	49.186
6	4.501	20.58	3.327	32.468
7	5.270	21.54	3.728	48.156
8	6.031	22.14	3.731	47.773
9	7.335	24.42	3.629	61.553
10	8.484	16.14	3.362	30.501
11	9.847	10.38	3.374	29.794

Fig.10 Stable cutting torque， oil pressure and speed， propulsion speed relationship

Fig.11 Section contour acquisition and comparison of rock samples after cutting tests

Fig.12 The difference rate between the section contour and the standard square figure

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