掘进机截齿截割岩石仿真与试验研究

为提高截割效率、降低截齿磨损率,建立了钻进和横切2种工况下截齿截割岩石的模型,对2种工况下的截齿进行有限元分析,并以截齿受力、截割功率、截割比能耗为目标函数,实现了对现有截齿形状、安装角度等方面的优化设计,并以此为基础设计了一款新截割头。通过新旧截割头的对比试验研究,可知优化后的截割头无论是在高速或者低速工况下,其截割效率均高于优化前,且新截割头截齿磨损率小于旧截割头。     

截齿顺次破岩机制的细观数值模拟及截线间距优化研究

为优化镐型截齿在截割头上的布置以提高掘进机截割效率, 借助PFC^3D颗粒离散元数值模拟软件构建了两把截齿顺次截割岩石的三维模型, 对不同截割深度和截线间距组合工况进行了模拟试验, 分析了镐型截齿顺次破岩机制和最优截线间距与截割深度的比值(s/h)。结果表明, 岩石在截齿作用下的破坏模式以张拉破坏占主导, 并伴随挤压和剪切的综合破坏; 截齿顺次截割时, 两相邻截齿之间存在明显的协同作用, 前刀在岩石内残留的裂纹使得岩石易于截割, 可以提高后刀的截割效率; 在模拟试验范围内, 随着s/h值增加, 比能耗呈先减小再增加的变化规律, 模拟结果表明最优s/h值约为3。该研究可为掘进机截割头排布设计提供参考依据。     

基于神经网络的掘进机截割头截齿的强度可靠性灵敏度设计

由于煤岩材质的不均匀性及掘进机截割过程中往往会遇到其他的岩石成分,导致掘进机截割过程中截齿受到的载荷具有很大的不确定性,有必要对截齿工作过程中的强度可靠性进行研究。结合有限单元法、神经网络技术和可靠性理论,对截齿在极限载荷状态下的静强度可靠性及可靠性灵敏度进行分析,获得了截齿关键尺寸对截齿可靠度的影响大小排序,从而为截齿的可靠性设计提供指导。     

截线间距与截齿截深的比值对截齿截割力的影响

为了研究截齿在破岩过程中的截割力,进一步提升截齿截割效率,用SolidWorks建立了截齿截割岩石的三维模型,使用HYPERMESH对模型进行网格划分,利用ANSYS/LS-DYNA动态仿真软件,建立了截齿破岩三维有限元模型,采用Holmquist-Johnson-cook(HJC)模型对岩石材料进行了数值模拟,研究了切削厚度分别为2.5、5、7.5 mm时,不同截齿中线间距所对应的截线间距与截齿截深的比值对截齿截割力的影响,结果表明:改变截线间距来改变截线间距与截齿截深的比值时,截齿所受的截割力会产生波动,不同的截齿截深所造成的截齿最小作用力对应的比值不同;同时,截齿截深所影响的截齿作用力在实验中占较大一部分,因此,在合适的截齿截深的条件下,合理改变截线间距与截齿截深的比值可以有效减少截齿所受的截割作用力,提高截齿的寿命。     

镐形截齿截岩过程的温度场研究

为研究不同运行参数下镐形截齿的温度分布及其变化规律,在ABAQUS软件中建立截齿截割岩石有限元模型,并进行热力耦合仿真分析,得到不同运行参数下截齿的温度分布云图以及截割过程的温度随时间变化曲线。研究结果表明:其他条件一定时,随着截割速度的增大,齿尖升温速度及平衡温度增大,但温度分布无明显变化;截割深度的变化对平衡温度及温度分布二者皆有明显的影响,随着截割深度增大,高温区域由齿尖逐渐向齿体扩展;锥角的变化对温升速度和平衡温度无明显影响,但对温度场有明显影响,温度分布面积随着锥角的增大而增大。为进一步研究截齿磨损及失效提供理论依据。     

连采机截齿安装角对截割性能的影响研究

为研究连采机截齿的截割受力情况,综合考虑煤岩的拉压强度及煤岩之间的黏结度,采用EDEM软件建立了镐形截齿仿真模型,研究了截齿安装角在动态截割煤过程中对连采机截割比能耗及截割阻力的影响规律。结果表明:截割阻力随着截齿安装角的增大变化幅值不同,安装角从35°～45°时变化幅值较小,45°～50°时截割阻力急剧增大;截割比能耗随安装角的增大呈现先减小后趋于平稳的趋势。综合考虑,当截齿安装角为45°时,截割比能耗和截割阻力最小,研究结果为提高连采机的截割效率、减少截齿的损耗提供了参考依据。     

岩石裂隙对掘进机截齿截割破岩的影响

为了优化掘进机截割头设计,进一步提高破岩效率与巷道掘进速度,用数值仿真模型研究了不同裂隙位置对截齿截割岩石的影响及截割力变化规律.结果表明:与均质岩石相比,截割含裂隙岩石的进给阻力较小;随着裂隙区域与齿间距离的增大,截割阻力会逐渐增大,同时截割阻力的峰值平均力也呈增大趋势;统计了不同裂隙位置的截割比能耗,发现当裂隙与齿...     

具有锯切特征岩石的ANSYS/LS-DYNA仿真分析

通过利用ANSYS/LS-DYNA进行截齿直线截割岩石数值仿真,得到截齿受力曲线,计算出截齿平均峰值作用力,并进行仿真结果与实验结果、Goktan理论结果的线性相关计算。结果表明,计算获得的线性相关系数分别为0.95、0.826,并且显著性远小于0.05,这表明数值模型的选取是可靠的;并利用相同数值模型进行截齿截割具有锯切特征岩石数值仿真,结果表明平均峰值作用力远小于截齿直线截割的平均峰值作用力,并且随着截割厚度和岩石硬度的增加,差值更加明显,这为硬岩开采提供了一种新的思路。     

采煤机滚筒端盘截齿角对截割载荷特性的影响

以采煤机滚筒端盘截齿为研究对象,应用非线性仿真软件ABAQUS建立端盘截齿与煤岩的刚柔耦合模型,利用模型的动态仿真过程,研究了截齿载荷随3种轴向倾斜角和二次旋转角不同的变化规律。研究表明:截齿截割瞬间,截割阻力随着轴向倾斜角和二次旋转角的增大而增加,牵引阻力和侧向阻力变化平稳。     

不同齿身锥度和合金头直径截齿的截割试验

为研究不同截齿的截割性能,研制了5种不同形状的截齿;并在自制的截割试验台上对5种截齿进行试验,分析了不同截齿截割产生的采煤机滚筒扭矩的最大值、最小值、均值、方差等参数;对截落煤岩的块度进行分级处理,研究不同截齿截割块煤率的大小以及截落煤岩的块度分布规律.分析结果表明：不同形状的截齿,随着截齿合金头直径、齿身锥度的变化,其截割力、块煤率的变化是不同的.阶梯型截齿随着齿尖合金头直径减小、齿身锥度增大,其截割力减小、载荷波动增大、块煤率下降;齿身锥度、合金头大小与截齿截割力的关系服从指数分布,截割煤岩的块度也服从指数分布.对于锥型截齿,当齿身锥度较大、合金头较小时,其截割力较小、载荷波动较小、块煤率较大.     

基于小波包与SOM神经网络的截齿磨损状态识别

为实现采煤机截割过程中截齿磨损状态的实时在线监测,采用声发射传感器对不同磨损程度截齿截割时的声发射信号进行采集,采用小波包分析方法分析声发射信号不同频带能量的变化规律,建立能量值的样本空间,构建基于SOM神经网络的截齿磨损识别模型,实现对截齿不同磨损状态的在线监测。通过随机测试实验对截齿磨损状态识别模型进行验证,结果表明,基于小波包分析与SOM神经网络的截齿预测磨损状态识别模型识别精度较高,测试样本识别精度约95%。研究结果为准确识别截齿的磨损状态、提高采煤机的工作效率提供一种重要的技术手段。     

采煤机镐形截齿生产新技术的研究

在镐形截齿受力分析的基础上,利用先进的等离子束表面冶金技术,从截齿的结构和材料两方面入手对截齿生产工艺进行了全面改进,并对新工艺生产截齿的组织性能进行了测试分析。研究结果表明等离子束表面冶金技术在采煤机截齿上具有很大的应用价值。     

瑞利随机分布下滚筒截割载荷重构算法与数值模拟

为了获得滚筒截割载荷特性曲线,对截齿与滚筒的受力进行了分析研究,得到了截齿轴向阻力与滚筒截割载荷的数值关系,运用自制的多截齿旋转截割煤岩实验设备,进行了截齿截割煤岩实验,得到了截齿三向力曲线,建立了滚筒截割载荷随机载荷曲线重构模型,给出了载荷重构算法,利用测试数据对滚筒截割载荷进行了数值模拟,得到了滚筒截割载荷重构载荷谱。研究结果表明:实验条件下煤岩崩落周期约为0.04 s,滚筒截割载荷数值上大于滚筒上各截齿同一时刻各截割阻力之和;滚筒截割载荷与参与截割的截齿截割阻力峰值、随机分布状态、截齿位置角、煤岩崩落周期及各截齿作用位置有关;所提算法与修正离散正则化算法比较,计算速度提高了约70倍,少样本数据下,该算法精度优于修正离散正则化算法,但重构数据只在重构点处具有真实性;使用改进的FFT算法进行重构曲线数值拟合,与FFT算法相比,计算量减小为原来的1/16,计算速度提高了约27倍,拟合优度相同,均为0.94,拟合曲线在总体趋势上比较平滑,呈现月牙形,与截割厚度变化规律一致,波形特征比较容易辨识,特征值便于判断和提取。研究结果为截齿三向力与滚筒截割载荷的关联提供依据,同时为滚筒截割载荷重构及数值拟合提供高效便捷的算法。     

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。     

The radial line concept for cutting head pick lacing arrangements

The picks which are located at the nose portion of a boom-type tunnelling machine cutting head are of crucial importance and also very vulnerable to damage. Long term underground investigations accompanied by laboratory studies have revealed that these picks are subject to skew cutting which leads to severe pick and tool holder damage. This depends on the radial line position with respect to tool plan length. The damage is predominantly in the form of premature wear developing on the tool body rather than on the tungsten carbide tip. It was found that the picks having a small cutting radius and tilt angle greater than 30° should be provided with skew angles relevant to the pick geometry and cutting radius. High forces were also shown to act on these picks. It was further concluded that radial type cutting tools are not suitable as corner cutting picks on boom tunnelling machine cutting heads currently used in practice.     

掘进机截齿试验装置的方案设计

在掘进机镐形截齿选型的过程中,除了要对截齿进行理论分析,还要在井下进行试验验证。通过设计一台掘进机截齿试验装置,可以在试验室对截齿进行模拟截割试验。利用该装置,可以对不同规格的截齿在不同截割硬度、不同截割参数等条件下进行一系列的截割试验,为合理地确定截齿的有关截割参数,进一步提高截割效率和性能提供了可靠的资料。     

挖掘机通用结构件与型钢三维模型库系统简介

简要介绍了采用SolidWorks三维模型设计软件开发的挖掘机通用结构件与型钢三维模型库系统的模型分类和功能。该系统是依据钢板类零件及型钢的结构特点以及产品结构,所建立的各种形状的结构件和型钢的模型库。