采煤机螺旋滚筒装煤性能优化

螺旋滚筒是采煤机截割煤岩的直接机构,螺旋滚筒几何参数和截割策略的优化设计对提高滚筒装煤性能有重要影响。现有基于有限元和二维离散元法的螺旋滚筒优化设计大多基于单一或部分因素,未综合考虑多设计变量对螺旋滚筒装煤性能的影响,难以同时得到几何参数及运动学参数最优解。针对该问题,基于煤的物理力学特性参数测试结果,利用离散元分析软件EDEM构建采煤机螺旋滚筒截割煤壁耦合模型,对采煤机螺旋滚筒的装煤性能进行数值模拟,采用单因素法分析了螺旋滚筒螺旋升角、直径、筒毂直径、截割深度、转速及牵引速度对装煤性能的影响;基于离散元分析结果设计螺旋滚筒三因素三水平正交试验,通过极差分析得出几何参数中滚筒直径、筒毂直径、螺旋升角,运动学参数中截割深度、滚筒转速、牵引速度对螺旋滚筒装煤性能的影响依次减小;根据正交试验结果得出螺旋滚筒最优几何参数方案为13°螺旋升角、1 300 mm滚筒直径、475 mm筒毂直径,最优截割策略为600 mm截割深度、58 r/min滚筒转速、8 m/min牵引速度,最优参数下螺旋滚筒装煤率为76.39%,较优化前提高了15.82%。     

基于离散元法的综采工作面块煤率分析

针对现有块煤率研究方法无法准确表达煤岩颗粒行为的问题,提出了基于离散元法的综采工作面块煤率分析方法。以MG450/1080-WD型采煤机为研究载体,对其采煤过程进行研究分析并建立煤岩颗粒的动力学模型;在此基础上,运用离散元软件EDEM作二次回归正交旋转组合试验,对综采工作面块煤率进行分析。分析结果表明,当MG450/1080-WD型采煤机滚筒转速为48.74r/min,筒毂直径为233.79mm,叶片螺旋升角为14.09°时,其性能最优,此时采煤机块煤率为36.52%。对比不同转速、叶片螺旋升角下块煤率的仿真与试验结果,得出块煤率变化趋势一致,证明了应用离散元法进行综采工作面块煤率分析的可行性。     

采煤机滚筒工作性能优化研究

在实际生产中,截割破碎过程是多作用耦合的结果,离散元法(DEM)与多体动力学(MBD)双向耦合技术可实现煤机设备与煤壁的信息交互,符合实际生产情况,具有较大的优越性。为提高采煤机滚筒的工作性能,基于DEM-MBD双向耦合机理,结合力学性能试验和模拟试验得到实际工况参数,采用仿真软件EDEM和RecurDyn建立了采煤机滚筒截割煤壁的双向耦合模型,对仿真过程中滚筒所受的转矩和截割力进行分析,证明耦合效果和截割效果较好。设计了单因素试验和正交试验,分析了滚筒运行参数对工作性能的影响规律,并利用SPSS软件得到滚筒转速、截割深度、牵引速度对截割比能耗、装煤率、载荷波动系数的影响程度,通过现场试验验证了模型的可行性。构建了以滚筒转速、截割深度、牵引速度为决策变量,以截割比能耗、装煤率和载荷波动系数为目标的多目标优化模型,利用改进多目标灰狼(MOGWO)算法和优劣解距离法(TOPSIS)对模型进行求解,得出当滚筒转速为31.12 r/min、截割深度为639.4 mm、牵引速度为5.58 m/min时,采煤机滚筒的工作性能最优,此时截割比能耗为0.467 7 kW·h/m³...     

采煤机截齿与牵引速度和滚筒转速之间关系

对采煤机单个截齿进行受力分析,用软件Matlab进行编程,模拟井下的一种复杂的工作状况,利用程序文本,生成滚筒瞬时负载曲线,再模拟不同滚筒转速和牵引速度下截齿的受力情况,并将其施加给采煤机滚筒刚柔耦合系统,分析了各情况下截齿的应力情况.研究表明:该采煤机的牵引速度应控制在2～3 m/min之间.考虑到采煤机截割效率、煤块煤率和齿耗,滚筒转速应选择较小的91.1 r/min.     

综采工作面刮板输送机的自动化、智能化控制技术

从综采工作面刮板输送机的电动机软启动控制和机电设备工况监测两个方面,综述了刮板输送机的自动化、智能化控制技术,指出综采工作面刮板输送机的自动化、智能化必将推动刮板输送机无人值守的实现,进而推动采煤机、液压支架和刮板输送机联动作业的、无人的和全自动工作面的实现。     

基于数据驱动的综采工作面采运协同控制方法研究

目前针对采煤机与刮板输送机协同控制的研究初步建立了采运系统协同控制机制,但均未考虑非结构化综采工作面环境下,影响采运系统稳定运行因素的不确定性和耦合特性,以及煤流状态和刮板输送机负载电流受井下电气系统影响而无法真实反映刮板输送机负载变化的情况。针对上述问题,提出了一种基于刮板输送机负载电流强化和随机自注意力胶囊神经网络（RSACNN）的综采工作面采运协同控制方法。针对刮板输送机电动机电流的电气耦合特性,运用电流强化模型对原始刮板输送机电流进行预处理,得到能够反映煤流系统真实负载的电流分量。针对综采工作面采运系统运行状态参数与采煤机牵引速度存在着高度非线性和不确定性关系,难以建立精确数学模型的问题,基于胶囊神经网络（CNN）可保存综采工作面采运系统运行状态突变等细粒度特征的特性,建立了基于RSACNN的综采工作面采运协同控制模型。实验结果表明：RSACNN算法与自注意力胶囊神经网络（SACNN）算法、CNN算法的调速结果相比,预测的采煤机牵引速度精度更高,预测速度与真实速度的拟合度分别提高了0.032 05和0.075 04;平均绝对误差分别降低了17.7%,22.6%;平均绝对百分误差...     

综采工作面中部跟机自动化控制的数学模型

针对综采工作面的双向割煤生产作业特点,分析了采煤机、液压支架、刮板输送机联合运转时的协调控制过程,根据采煤生产作业中刮板输送机弯曲段形成原理,提出了刮板输送机弯曲段形成的数学模型;在该模型基础上,分析了工作面中部液压支架跟机自动化作业的工艺过程,提出了综采工作面中部跟机自动化控制数学模型;根据该综采工作面中部跟机自动化控制数学模型,对某煤矿3107综采工作面相关参数进行了计算,并总结了3107综采工作面中部跟机自动化生产的经验。应用结果表明,综采工作面中部跟机自动化控制的数学模型与跟机自动化工艺过程相吻合,为进一步实现智能化综采工作面提供了理论基础。     

复杂工况下采运装备虚拟运行关键技术研究

当前综采工作面采运装备虚拟仿真技术都是建立在水平理想底板上,不能真实模 拟采运装备在底板不平整的复杂工况条件下的运行状态。针对这一问题,在虚拟现实引擎 Unity3D 中,对采煤机与刮板输送机在复杂工况下虚拟运行的关键技术进行研究。通过建立采 运装备的虚拟现实场景,结合采煤机在刮板输送机上的虚拟定位定姿方法,重点对刮板输送 机的虚拟弯曲、采煤机支撑滑靴销轴的坐标解析与采煤机虚拟运行等关键技术进行研究。开 发原型系统并进行实验验证,实验结果表明,虚拟刮板输送机的形态与实际布置形态的误差 小于 15 mm,采煤机机身倾角误差小于 2°,满足实际工作要求的精度。该系统可以真实再现复 杂工况下采煤机与刮板输送机的动态配套关系与运行状态,为综采工作面远程监测系统的建立 奠定基础。     

煤矿井下带式输送机液压卸煤装置设计

以纳林庙煤矿二号井6-2116综采工作面为工程背景,针对回收煤柱工作面充填空巷用煤量大且运煤困难的问题,设计了一种煤矿井下带式输送机液压卸煤装置。该装置由支撑装置、改向装置和液压系统组成,安装在主运巷道与辅回撤通道交叉口位置;利用液压泵站为动力,通过支撑装置和改向装置相互配合将煤炭从带式输送机上卸下,再经转载运输至用煤空巷。通过该卸煤装置,原煤不需要升井后再用无轨胶轮车运输到井下,提高了经济效益和充填效率,降低了安全风险。现场工业性试验结果表明,采煤机割煤速度为0.8m/min、刮板输送机速度为0.4m/s、转载机速度等级为低速、带式输送机速度为1.0m/s、改向油缸和支撑油缸伸出长度为0.7m时,卸煤装置可实现连续卸煤,满足试验工作面充填用煤需要,保证了回收煤柱工作面的正常推进。     

薄煤层无人工作面自动化开采技术应用

针对某矿薄煤层保护层安全高效开采的需求,提出了对其2号薄煤层进行上保护层无人工作面开采的设计方案;根据2号薄煤层22201首采保护层工作面的实际情况,给出了22201无人工作面的采煤机、液压支架、刮板输送机的配套选型,详细介绍了22201无人工作面自动化控制系统的网络结构及采煤工艺。现场工业性试验结果表明,该方案可自动完成割煤、移架、推刮板输送机和顶板支护等生产流程,实现了薄煤层工作面的自动化开采。     

综采跟机自动化系统分析与建模

采用电液控制系统的综采或综放工作面,按照采煤工艺的要求,根据采煤机的牵引位置对工作面三机进行自动控制。利用机电一体化技术,制定液压支架护帮板收伸、自动喷雾、移架和刮板运输机移动等自动化动作规则,建立跟机自动化离散系统模型。为采用自动化技术的采煤工作面研究了一种新的、先进的半截深采煤工艺,并进行了工艺的计算机分析设计。     

螺旋滚筒截割顶板工况的数值模拟

根据截齿截割机理和有限元理论,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立了螺旋滚筒截割顶板的煤岩耦合模型,得到截割过程中螺旋滚筒受到的冲击载荷,并验证其载荷的可靠性;通过对螺旋滚筒的动力学分析,找出其在工作过程中的应力分布规律。研究表明:螺旋滚筒的最大应力主要集中在合金头的齿尖局部接触区域、齿柄头部的轴肩处以及截齿齿座根部,当滚筒转速相同时,煤岩受到的应力增加幅度随牵引速度的增加先增大随后逐渐减小;若牵引速度不变时,煤岩受到的应力减小幅度随滚筒转速增大而逐渐变小。分析结果为薄煤层采煤机螺旋滚筒的结构设计及其截割性能的提高提供了重要参考。     

极薄煤层综采技术的研究与应用

介绍了我国极薄煤层采煤技术的现状,指出现有的综采设备不适用于极薄煤层开采;介绍了适合极薄煤层综采的新型采煤机、液压支架、刮板运输机的结构、性能特点,提出了极薄煤层综采工艺。实践表明,该新型极薄煤层综采装备与综采工艺有效提高了采煤效率,创造了很好的经济效益,但还需进一步研究爬底式采煤机滚筒可调高技术、如何减少端头开缺口的工作量以及极薄煤层工作面的自动化技术。     

安全高效矿井监控关键技术研究

提出安全高效矿井应采用先进可靠的监控技术,实现供电、排水、通风、压风、运输、提升、瓦斯抽采等固定岗位无人值守和地面远程控制,综采、综放等采煤工作面少人作业和地面远程控制;提出供电、排水、通风、压风、运输、提升、瓦斯抽采等监控系统应具有地面远程控制功能;提出具有远程控制、报警联动、调度指挥等功能的煤矿调度指挥控制中心;提出整合计算机网络机房、程控交换机机房、调度交换机机房、监控系统机房等的数据中心;提出基于煤层瓦斯压力和瓦斯含量、综合指标、钻屑瓦斯解吸指标、复合指标、R值指标、瓦斯涌出量(根据瓦斯体积分数和风量计算)、巷道位置、微震、地音、温度等及其变化的煤与瓦斯突出预警方法;提出基于WiFi的矿用无线传输接口,以便于互通互联;提出通过分布式光纤测温预警煤炭自然发火,较通过监测CO等煤炭自然发火标志气体更直接、更及时、更可靠;提出根据运煤量实时调整输送带速度:当煤量较小时降低输送带运行速度,当煤量较大时提高输送带运行速度,以提高运输效率,减少设备磨损;提出基于光纤综合保护的供电监控系统具有防越级跳闸、地面远程整定和地面远程控制功能,提高了煤矿供电的可靠性,可实现煤矿井下机电硐室无人值守;提出具有煤岩识别与滚筒自动调高,采煤机、刮板机、液压支架3机联动,记忆割煤,地面远程、顺槽近程、手动控制和紧急停机,放顶煤量和煤矸控制,采煤机和刮板机等大型机电设备故障诊断等功能的采煤工作面监控系统。     

薄煤层综采工作面自动化技术综述

分析了国内外薄煤层综采工作面自动化技术的发展现状,介绍了薄煤层综采工作面自动化系统结构、采煤机自动化控制技术、液压支架电液控制技术、刮板输送机自动化控制技术及采场空间环境可视化监测技术,指出了薄煤层综采工作面自动化技术的发展趋势:采用先进工艺提高采煤机、液压支架等设备的工作可靠性;提高薄煤层综采工作面自动化系统的自动化程度,完善控制系统与故障诊断系统,提高对各种采煤环境的适应能力;从有链牵引向无链牵引及电牵引方向发展;进一步研究综采工作面可视化监测系统。     

复杂煤层条件下采煤机破煤过程的可靠性研究

以有限元理论与刚柔耦合多体动力学为基础,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立了复杂煤层条件下螺旋滚筒的煤岩耦合模型,得到了不同工况下螺旋滚筒受到的冲击载荷以及煤岩的塑性变形分布规律;并找出了截齿在工作过程中的应力分布规律。基于LS-DYNA提取的滚筒载荷文本,通过ADAMS软件对采煤机整机刚柔耦合虚拟样机模型进行动力学仿真分析,发现了采煤机壳体与行星架的应力分布。结合神经网络技术,以不同工况下采煤机关键零件的等效应力值作为神经网络训练样本,获得在关键零件应力值最小时的采煤机牵引速度的最优值。分析结果为采煤机螺旋滚筒的结构设计及其截割性能的提高提供了重要参考。     

基于改进蚁群算法的滚筒截割轨迹规划

针对采煤机滚筒容易截割到岩石等情况,造成采煤机部件损坏、增加煤中矸石含量等问题,提出了一种基于改进蚁群算法的滚筒截割轨迹规划方法.通过分析普氏系数与电流、牵引速度等参数之间的数学关系模型,根据其参数对工作面信息进行描述,采用栅格建模法构建栅格工作面模型;对蚁群算法的信息素更新机制进行了改进,利用改进后的算法在虚拟栅格工作面中对滚筒截割轨迹进行规划,并采用三次B样条对其规划得出的最优或次优截割轨迹离散点进行拟合,从而得到一条平滑的滚筒截割轨迹.仿真结果表明,在复杂地质条件下,改进算法能较好地对截割轨迹进行规划,有效避免滚筒从任意起点截割到岩石等情况,三次B样条能很好地进行曲线拟合,拟合后的截割轨迹更加平滑,有利于引导采煤机滚筒自动截割.     

基于ANSYS和MSC Adams协同仿真的薄煤层采煤机摇臂壳体疲劳分析

为延长采煤机的使用寿命,以针对含硫化铁矿结核体薄煤层的某型采煤机摇臂壳体为研究对象,利用Matlab生成螺旋滚筒的瞬时负载文件,建立基于MSC Adams的采煤机截割部刚柔耦合有限元模型.应用ANSYS与MSC Adams之间的双向接口,实现柔性体对机械系统动力学行为影响的系统仿真,仿真精度得到提高.通过MSC Adams输出ANSYS所需要的载荷文件,对摇臂壳体进行瞬态动力学分析,并应用MSC Fatigue对其进行疲劳分析,发现该采煤机摇臂壳体的薄弱部位.该方法在产品开发的早期就能对摇臂壳体的疲劳特性有所认识,为采煤机设计提供新思路.