镐形截齿截割参数及几何参数研究

 摘要：基于镐形截齿拉坏破岩模型,在考虑岩石性质的情况下推导出了镐形截齿合金头的理论长度和最佳截槽间距的表达式,并推导出了考虑破岩摩擦力情况下的镐形截齿破岩截割阻力的表达式,经计算与相关研究结果基本一致,且计算精度有所提高,分析表明摩擦力对截割阻力有一定的影响。这些对镐形截齿和采掘机械工作机构的设计选型具有理论指导意义。     

镐型截齿截割阻力谱的分形特征与比能耗模型

为给出镐型截齿的截割性能的评价方法,应用分形理论分析旋转截割实验台所测得的截割阻力谱,探究截割阻力谱的分形特征与安装角及切削厚度的关系。基于实验测得的轴向阻力谱和功率谱建立镐型截齿的比能耗与安装角和切削厚度的关系模型。结果表明：在实验条件下,截割阻力谱盒维数和比例系数与安装角均呈二次函数关系,与切削厚度呈指数关系;截割比能耗与截齿半锥角和安装角三者互相制约。半锥角增大时,使比能耗减小的最佳安装角区间变小;半锥角减小时,使比能耗减小的最佳安装角区间变大;半锥角一定时,截割比能耗与安装角呈二次函数关系,随着安装角的增大先增大后减小,存在使截割比能耗最小的最佳安装角;截齿比能耗与切削厚度成指数关系,随着切削厚度增大而减小。该研究证明分形特征与比能耗在评价截割性能上的一致性,为采煤机高效截割与性能的评价提供参考。     

镐型截齿截割煤岩过程的截割力研究

为探究镐型截齿截割煤岩过程中截割力的变化及其影响因素,以Evans镐型截齿直线截割力模型为基础,提出了镐型截齿旋转截割力模型;利用滚筒采煤机镐型截齿截割煤岩轨迹表达式,推导了镐型截齿截割过程中,截割角及截割厚度变化的表达式;在截割参数范围内,计算出镐型截齿截割角在截割过程中最大变化可达±4°;根据镐型截齿旋转截割力模型,在截割厚度一定的条件下,计算并分析截割力与截割角及半锥角的关系,得出当镐型截齿半锥角为36°时,截割力在截割过程中最大截割厚度前后能够保持平稳变化;将截割角及截割厚度变化计入截割过程中计算截割力,发现影响截割厚度主要因素的牵引速度对截割力影响最大,而角速度与截割半径对截割力的影响依次减小。所得公式与结论可为镐型截齿及采煤机的设计提供理论参考。     

镐型截齿与刀型截齿优势之比较

本文就镐型截齿与刀型截齿的优劣从理论上进行了分析对比，在实践中进行了应用对比，阐述了镐型截齿在煤矿生产中更为优越、合理、高效。     

镐形截齿截割磨损研究

为了研究镐形截齿截割夹矸煤岩时截齿磨损的关键因素,对镐形截齿磨损形式进行分析,得出镐形截齿截割夹矸煤岩的磨损机制,根据夹矸煤岩的物理特性配制试验煤样,通过对镐形截齿结构的分析,并在牛头刨床上进行镐形截齿截割试验。试验结果表明,镐形截齿截割夹矸煤岩时齿身上部磨损较剧烈,有明显的磨损划痕,且划痕偏向基本一致,合金头一侧有大块崩落,其余部分有可见裂纹。试验得出镐形截齿截割夹矸煤岩的磨损特性,对镐形截齿的设计及应用具有指导意义。     

采煤机镐形截齿截割力模拟

利用LS-DYNA对采煤机镐形截齿的截割过程进行了模拟,在给定不同的截割速度的情况下,得到了截割力3个方向分力的变化规律。模拟结果表明:在截割过程中随着截割速度的增大,截割阻力、牵引阻力和侧向力的平均值表现出不规则的变化趋势。     

基于Evans截割模型的镐型截齿峰值截割力的计算

为了能对镐型截齿在平面截割截槽对称条件下的峰值截割力进行较为准确的预测,基于Evans的截割模型,通过分析截割时齿头的锥形表面因岩石的夹制效应而接触应力分布有所不同,理论推导出了一个新的峰值截割力计算公式以及公式应满足的截割边界条件。相比现有其他截割力计算公式,除了考虑截齿半锥角θ、煤岩抗拉强度σt及齿岩之间摩擦因数f等参数的影响,且将煤岩的脆性指数m引入其中,计算结果与试验值更为接近。公式所应满足的截割边界条件,可用截深h和加载位置与相邻自由边界垂直距离s比值的最低限值smin/h表示,且值大小受截齿半锥角θ影响较小,而主要与煤岩脆性指数m有关,当m介于5~15时,smin/h介于2~3,符合既有试验所得结果。所得公式和结论可为进一步分析和推导镐型截齿在实际采掘条件下包含更多参数的峰值截割力提供理论基础和指导。     

镐型截齿截槽非对称的峰值截割力计算

为了能够对平面截割截槽非对称条件下镐型截齿垂直截割煤岩时的峰值截割力P_c'进行预测,基于截槽非对称模型,通过理论推导得到了截割孔半径r、截深h_1,h_2及煤岩左、右崩裂角Φ_1,Φ_2关系的一般表达式。提出了r相对截深h_1,h_2可忽略时截槽对称的峰值截割力P_c的新的计算公式;基于截槽非对称与截槽对称条件下的峰值截割力与表面接触半径的等效概念,即通过换算等效截深hequ,并利用截槽对称的峰值截割力P_c推导得出了截槽非对称的峰值截割力P_c'计算公式。所得到的截槽非对称(h_1h_2=h)的镐型截齿垂直截割的峰值截割力P_c',能够考虑截齿半锥角θ、煤岩抗拉强度σ_t、脆性指数m以及齿岩摩擦因数f等参数对其的影响;在保持h_2=h不变的条件下,得到P_c'与h_1/h_2的变化近似呈线性关系的结果。理论计算结果得到了试验结果的验证。     

镐型齿截煤机理研究

基于镐型齿截煤理论不完善的现状，采用力学分析与试验研究相结合的方法，对镐型齿截煤机理进行了研究。在国内首次采用高速摄影的研究手段，对煤体裂纹扩展的动态过程进行了分析。指出煤体在刀具作用下的碎裂，主要是其内部缺陷——原生裂隙在拉、剪应力共同作用下的结果，且截割力与切削深度基本成线性关系。     

基于ANSYS的采煤机镐形截齿截割动态分析

主要借助ANSYS软件中的LS-DYNA模块,对采煤机截齿截割煤层作业过程构建三维有限元模型,通过对镐形截齿割煤过程的动态分析,得到截齿能量、速度等参数的时间历程曲线,并对截齿安装调度对割煤效率的影响进行分析,得到割煤效率最高的截齿安装角度,为优化采煤机截齿设计提供参考。     

基于LS-DYNA的不同形状截齿强度仿真分析

为了研究不同形状截齿的强度特征,针对截齿截割过程实际外负载为随机载荷的特点,利用LS-DYNA建立了结构形状不同的3种柔性体截齿实体模型,根据显示动力学理论构建基于I-E-F本构模型的岩石模型。通过对3种形状截齿截割过程进行仿真,得到截齿齿尖处的应力曲线变化及其统计值,以及不同硬质岩石下截齿的受力和变化趋势。所得结果为研究截齿形状对其强度的影响,提高截齿工作使用寿命提供了依据,为截齿的选择、设计和使用提供一种新的手段和方法。     

不同截割状态下镐型截齿侧向力的实验与理论模型

为建立不同截割状态下镐型截齿侧向力的数学模型,依据截割机理与力学原理分析截齿的截割工况及侧向力的力学特征,在不同的截割状态下,采取截割侧向力与碾挤压附加侧向力有条件叠加的方法,建立了侧向力数学模型;对不同倾斜角和切削厚度截齿侧向力的载荷谱进行频域频谱分析和时域分解,利用最小二乘法反求侧向力模型中的关联性系数,综合修正理论模型。结果表明:侧向力由截割和碾挤压附加侧向力构成,侧向力模型可以综合反映截齿参数、煤岩性质和工作参数的量化关系;实验验证了理论模型的本构关系和定量的准确性,侧向力高频载荷随机变化程度与倾斜角关联性小,低频载荷幅值的主要成分0 Hz稳态值与倾斜角成正比关系。该研究为解决工作机构轴向力平衡等问题,改善设备稳定性提供有效的分析方法和基础。     

掘进机截割头最佳截线间距的探讨

通过对掘进机截割头截线间距的分析 ,提出一种确定截线间距的新方法。     

基于PFC2D的单齿直线切削破岩过程分析

在石油钻井、隧道开挖等领域经常遇到关于岩石切削的问题,岩石切削问题的研究成为提高机械开采效率的重要突破口。针对钻井过程中锥形齿切削岩石的塑-脆性破碎机理这一科学问题,以提高钻进效率为最终目的,通过实验测试岩石力学参数和离散单元法（PFC2D）建立了锥形齿平行切削岩石的数值模拟,研究岩石切削过程中在不同切削深度下的切削形貌、切削力、破岩比功等。结果表明：（1）岩屑先产生宏观剪切裂纹形成半脱落岩屑,后于薄弱处发生张拉失效导致岩屑弹出,并且在切削深度较浅时产生小尺寸岩屑,在切削深度较深时产生大尺寸岩屑。（2）研究了不同切削深度下产生岩屑时的切削峰值力,发现与Nishimatsu的峰值力模型更加符合,与切削深度呈线性增长的趋势。（3）切削力的峰值基本对应裂纹的激增,随着切削深度的增加裂纹图中台阶数会随之减少;破岩比功与切削深度在一定范围内呈正相关,并可以根据的关系图将切削过程划分出塑性破坏阶段、小碎屑阶段、脆性破坏3个阶段。     

Vertical rock cutting rig (VRCR) suggested for performance prediction of roadheaders

This study demonstrates the roadheader performance prediction ability of previously developed vertical rock cutting rig (VRCR). Conical pick cutting tests were conducted on selected rock samples in both relieved and unrelieved cutting modes to determine the relationships between dependent and independent parameters in rock cutting and to investigate the optimum cutting condition. It was seen that relationships among dependent and independent variables match up with previous studies. Furthermore, two roadheader sites were visited, rock samples were collected and cutting rates of roadheaders were recorded. Rock cutting tests on these samples showed that performance prediction with VRCR is a plausible option.