新型薄煤层采煤机装煤量与可靠性研究

为提高薄煤层采煤机的装煤量,建立了螺旋滚筒装煤量的数学模型。研究发现采煤机装煤量随叶片螺旋升角的增大呈先增后减的变化规律,并获得了最大装煤量时的螺旋升角;建立了采煤机截割部虚拟样机模型,基于实际工况加载仿真后发现,摇臂壳体和行星架的强度均显不足,根据仿真结果分别对其结构进行优化,优化后力学性能明显提高;摇臂壳体及行星架的可靠性随采煤机牵引速度的增大而降低,而叶片螺旋升角的变化对其可靠性的影响很小,可以忽略。综合以上考虑,在原设计基础上增大叶片螺旋升角、增加挡煤板,使采煤机装煤量提高了53%。     

基于应力-强度干涉理论的采煤机截割部关键零件可靠性分析

随着中厚煤层不断开采完毕,薄煤层开采比重将不断加大,其安全、高效开采日显重要,但由于开采空间有限、条件恶劣,采煤机易出现设计结构不合理、工作状态不稳定、可靠性差等问题。以MG2*100/455-BWD新型薄煤层采煤机截割部为工程对象,采用Pro/E,ANSYS,ADAMS建立了该采煤机的刚柔耦合虚拟样机模型,基于破煤理论建立了采煤机螺旋滚筒的力学模型,通过MATLAB编制了相关程序解决了刚柔耦合虚拟样机模型载荷添加的问题;通过虚拟仿真获取了关键零件输出轴、壳体、行星架的Von Mises应力分布及最大应力节点应力值的时域信息,以30组不同牵引速度仿真模型的仿真结果建立了各关键零件的最大应力分布函数;以应力-强度干涉可靠性理论为基础,结合各关键零件的最大应力分布函数及所用材料强度分布函数,在考虑载荷作用次数情况下,建立各关键零件在随机载荷多次作用下的可靠度计算模型。经分析计算得到输出轴、行星架、壳体的可靠度分别为0.978,0.536及0.614,研究发现:行星架与壳体存在应力集中现象,应力最大位置分别位于行星架腹板与花键轴相交处及壳体惰轮轴孔后侧与行星减速器承载部分相交处。在对薄弱零件改进后,行星架、壳体的可靠度分别达到0.969 0和0.997 4,满足使用要求。该方法可有效缩短产品设计周期,提高采煤机关键零件的设计质量及可靠性。     

基于离散元法的螺旋滚筒装煤性能研究

为提高薄煤层采煤机的装煤性能,以离散元理论为基础,结合鄂尔多斯文玉煤矿的煤样性质测定结果,建立了螺旋滚筒与煤壁的离散元仿真模型。解决了离散元煤壁黏结参数的合理选择以及螺旋滚筒与煤壁之间的耦合等关键问题;通过对不同统计区域内煤炭颗粒质量以及速度的变化进行跟踪和统计,找出螺旋滚筒结构及运动学参数等因素对煤流运动规律的影响:随螺旋升角增加,滚筒装煤率呈现出先增大后降低的变化;滚筒装煤率随截割深度和牵引速度的增加大而逐渐降低;增大滚筒转速能够提高装煤效率,但装煤率提高的幅度随滚筒转速的增加逐渐趋于平缓。     

AZ80镁合金热变形过程中的动态再结晶动力学和运动学模型

采用热模拟实验方法测试了AZ80镁合金材料的真实应力-应变曲线, 变形温度范围533K - 683K, 应变速率范围0.001 - 10 s-1, 变形程度为50%。动态再结晶的晶粒尺寸随着变形温度的升高和应变速率的降低而增大。确定了AZ80镁合金的热激活能, 确定了AZ80镁合金材料热变形时的本构方程。根据Sellars方程, 确定了AZ80镁合金的动力学模型, 其定义为描述发生动态再结晶体积分数与变形温度和应变速率的函数关系。确定了AZ80镁合金的运动学模型, 其定义为描述动态再结晶晶粒尺寸与Z函数之间数学关系. 动态再结晶晶粒尺寸的模型计算结果与实验结果相吻合,相对误差小于11.8%。确定了临界应变和稳态应变与Z函数之间数学关系。     

纵轴式掘进机横摆运动参数的优化设计

建立了掘进机横摆过程中液压杆伸缩量与横摆速度之间的数学模型,由单位能耗反求法推导出理论横摆速度,并估算了其取值范围;应用Matlab计算出不同横摆速度下的载荷曲线;在多体动力学仿真软件ADAMS中建立了掘进机的刚柔耦合模型,并对不同横摆速度及相应载荷下的模型进行动态仿真;以掘进机生产率、回转台可靠性及寿命为约束条件,对横摆速度进行优化。结果表明：基于某工况,在保证回转台可靠工作的前提下,液压杆伸出速度为2.887 mm/s,即横摆线速度为1.106 m/min时,该型号掘进机能达到经济截割。     

采掘机械行星减速齿轮强度校核软件的开发及应用

采用Matlab与Excel联合编制了采掘机械行星齿轮强度校核软件,软件以采掘机械动力学仿真中的接触法向力作为软件的输入,通过输入齿轮必要的设计及材料参数,便可实现齿轮齿面接触应力及齿根弯曲应力的校核,解决了传统分析中齿轮受力无法确定以及采用有限元软件无法求解齿根弯曲应力、求解接触应力时间过长的不足。以某公司生产的EBZ220型掘进机为例,通过校核发现该掘进机截割机构的二级行星轮齿根弯曲应力不满足强度要求,该掘进机不适合以1.38 m/min截割f值为8的岩石。研究为齿轮强度校核提供了一种新的的理念和方法,具有重要的理论意义及较强的工程应用价值。     

夹矸煤层采煤机斜切进刀过程滚筒载荷特性研究

为研究采煤机螺旋滚筒在斜切进刀工况下截割含夹矸煤层时的载荷问题,应用Pro/e建立煤壁落煤空间模型,并将其与滚筒导入到离散元软件EDEM中,利用从兖矿集团杨村矿17层煤岩所测得的煤样参数完成颗粒填充,形成滚筒截割的离散元仿真模型。通过前期试验,决定采用分段建立煤壁的方法以减少仿真时间。结果表明:在斜切进刀过程中,滚筒所受合力逐渐增大,且在含夹矸工况下的受力明显大于全煤工况下的受力,约为其4倍;滚筒所受牵引阻力与截割阻力逐渐增大,且牵引阻力约为截割阻力的2倍;轴向力呈先增大后减小的趋势;滚筒与煤壁开始接触时,为单齿受力,最大值可达15 000 N。验证了采用分段建立EDEM仿真模型方法的可行性与准确性,且可节约90%的仿真时间,为采煤机螺旋滚筒斜切进刀过程研究提供了参考依据。     

刨煤机牵引块疲劳寿命分析与优化设计

作为刨煤机关键零件的牵引块,其性能对刨煤机的工作效率及动态可靠性有重大影响。以刚柔耦合多体系统动力学理论为基础,建立以刨刀和牵引块为模态中性文件的刨煤机刚柔耦合虚拟样机模型;结合实际工况,基于“刨煤机设计计算系统软件”获得的刨刀和刨链的载荷文件,通过ADAMS仿真得到了牵引块的应力与应变云图;基于ADAMS的仿真结果,利用NSOFT软件对牵引块进行疲劳寿命分析,并对疲劳寿命较低的12个区域进行优化设计,使牵引块等效应力和应变最大值分别降低了46.4%和48%,最小疲劳寿命提高了184.35%,满足设计要求。     

掘进机后支撑腿的力学特性分析及结构优化设计

以某型掘进机后支撑腿为研究对象,根据掘进机工作状况推导出截割头及后支撑腿的受力公式.研究发现:当截割头上摆角度分别为47.46°和0°时,所受垂直方向作用力分别取得最大值和最小值.利用有限元分析软件Ansys workbench 12.0对后支撑腿进行静力学分析及结构优化设计,使得处于最为恶劣工况下的结构不仅具有足够的强度,而且设计重量大幅度减小,为同类零/部件的设计提供了理论参考,具有一定的实用价值.     

基于VPANNs的掘进机回转台可靠性分析

以某型掘进机可靠性研究项目为依托,基于破岩机理,利用MATLAB编制了掘进机在不同横摆速度、截割位置角度下截割不同坚固性系数岩石的程序并生成载荷文本,在动力学仿真软件ADAMS中建立了掘进机截岩的虚拟样机模型,并对不同工况载荷下的模型进行了动态仿真。采用模糊方法拟合了掘进机回转台的可靠度隶属函数,以各工况参数及相应的可靠度隶属函数值作为训练样本,提出了一种将人工神经网络与虚拟样机技术相结合分析零件可靠性的新方法。结合神经网络的推理可以预测掘进机在新工况下工作时回转台的可靠度,预测均方误差达到了6.92×10^-6,对实际生产具有一定的指导意义。