采煤机截齿截割煤岩的实验研究

采用截割实验系统对采煤机截齿截割煤岩进行了模拟实验,得出了刀形、镐形两种截齿截割过程中有关参数的变化情况,为采煤机截齿的设计及使用提供了实验依据。     

基于多传感器信息融合的煤岩界面识别

煤岩界面识别是实现采煤机滚筒自动调高的关键之一,本文讨论基于多传感器信息融合的煤岩界面识别方法。     

镐型截齿截割煤岩数值特性研究

在充分研究镐型截齿破煤机理及其在截割过程中的受力特点的基础上,利用三维建模软件建立在不同轴向倾斜角下镐型截齿和煤岩的物理模型,并将其导入Hypermesh中,经结构简化和网格划分后得到其有限元模型;再将其有限元模型导入ABAQUS中,合理地定义材料属性和施加载荷以及相关参数模拟其截割工况。通过研究轴向倾斜角为0、5°、10°和15°时镐型截齿受到的应力和位移,发现应力主要集中在镐型截齿的齿尖,而且轴向倾斜角越大,镐型截齿齿尖受到的应力和位移呈线性增长。     

基于ABAQUS模拟镐形截齿截割脆性煤岩

根据镐形截齿截割煤岩工况,利用ABAQUS软件的动力学显式有限元方法对镐形截齿的动态截割煤岩过程进行了数值模拟。动态模拟分析了镐形截齿在截割煤岩过程中的应力分布、三向力、煤岩应力场及其断裂路径等。模拟结果表明镐形截齿的应力及三向力突变主要与块状煤岩的脆性崩裂有关,截割面的块状煤岩崩裂路径与水平面夹角近似30°,与截割方向垂直平面的煤岩破裂路径呈抛物线形。     

含夹矸煤岩截齿安装角对截割力的影响研究

为研究含夹矸煤岩截齿安装角度对截割力影响,运用Pro/E构建镐型截齿和含夹矸煤岩的三维模型,采用ABAQUS有限元软件对截齿截割含夹矸煤岩动态过程进行数值模拟,分析不同截齿安装角度下的应力云图与载荷曲线。结果表明：截齿最大截割力出现在最大切削厚度处附近,改变截齿安装角度,对截齿截割力影响较小;随着截齿安装角的增大,截割力均值和截割力峰值均值呈现先减小后增大的趋势。随牵引速度增大,截齿截割力均值、截割力峰值均值呈增加趋势,该研究为调整截齿安装角来提高截齿破碎性能奠定基础。     

煤岩截割试验台的研制

为进行煤岩截割理论的研究及采煤机械新型工作机构的研制,基于煤岩截割理论和采煤机械的工作原理进行了煤岩截割试验台的研制,并对主传动、辅助传动和测试系统进行了设计。论述了该试验台的各个系统及其工作原理,并设计了测试系统的硬件和软件部分,为开展煤岩截割理论、采煤机滚筒截割性能的研究和新型采煤机工作机构的研制提供了必要的试验基础。该试验同时表明：利用LabVIEW软件开发测试系统是一种简单、可靠的方法。     

关于含夹矸煤岩采煤机螺旋滚筒截齿磨损问题分析研究

针对目前薄煤层夹矸煤岩采煤过程中采煤机螺旋滚筒磨损严重,造成人力物力浪费等问题,白龙矿建分公司牵头,以采煤机截齿为研究对象,通过三维软件对采煤机滚筒进行建模,按照实际工作状态进行约束设置,通过ADAMS进行前处理,使用EDEM仿真软件进行仿真分析,确定各因素对截齿磨损的影响程度,最后得出了采煤机最佳配合参数。     

不同工况对含夹矸煤岩截齿磨损深度影响模拟研究

为了研究不同工况对截齿截割含夹矸煤岩的磨损深度影响规律,建立截齿-夹矸煤岩耦合的有限元模型,模拟含夹矸煤岩截齿截割过程,探究截齿应力分布、温度分布与磨损深度的关联程度,采用正交试验法分析转速、牵引速度和安装角对截齿磨损深度的影响规律。研究结果表明：在模拟试验参数范围内,截齿应力分布和温度分布影响截齿磨损深度的大小,且截齿应力、温度与截齿磨损深度呈正相关性;相比于不含夹矸煤岩,含夹矸煤岩截齿应力、温度和磨损深度更大;随着截齿牵引速度的增加,截齿齿尖前刀面磨损深度呈增大趋势;随着截齿转速的增加,截齿齿尖前刀面磨损深度呈减小趋势;随着安装角的增大,磨损深度呈先减小后增大的趋势。研究结果可以有效提高采煤机截割性能及效率。     

煤岩界面识别的关键状态参数

阐述了通过截割状态监测进行煤岩界面识别的原理。理论分析表明,拾取振动、电流、扭矩、压力及扭振等截割状态信号,经过特征提取与信息融合可进行煤岩界面辨识。     

采煤机截割状态与煤岩识别的关联载荷特征模型

针对采煤工作面煤层的厚度变化、含夹矸和包裹体的不确定性,以及复杂煤岩占比和岩层位置辨识的差异,致使采煤机在截割过程中会产生无效调整截割高度的情况,影响其可靠性和智能化技术水平。截割煤岩载荷特征及其关联截割状态的模型可以预测、修正和决策采煤机截割行为,提升采煤机智能化程度。借鉴多信息实时修正记忆截割与煤层三维地质信息建模等方法,提出了采煤机自主调高-调速二元协同控制模式及截割状态关联特征模型,考虑煤岩赋存条件以及滚筒相对煤岩层的位置和工作参数,划分滚筒截割过程为顺转截割、逆转截割、向和逆自由面截割以及截割顶底板和夹矸等截割状态,分析截齿截割煤岩的过程与状态,构建了向和逆自由面截割状态特征量的数学模型和截割顶底板位置与占比的识别定量载荷关联特征模型,给出了截齿垂直、平行于层理方向截割力的累计占比计算方法,通过旋转截割实验验证截割煤岩载荷特征模型的准确性。根据截割顶、底板、夹矸岩层前后载荷变化导致的截割电机电流变化规律与调高液压缸两腔压力的关联性变化规律,结合截割状态的关联载荷特征模型,修正与预测截割状态和岩层位置,确定了修正采煤机调高调速行为协调控制的截割状态特征参量。研究表明:向自由面截割煤岩断裂位置大于逆自由面的,向自由面易于破碎煤岩,且截割载荷与比能耗均小;分别获取截齿截割顶底板载荷增量与方向角,载荷增量均与岩层厚度呈正相关性,但截割顶底板方向存在明显差异;随截割夹矸岩层厚度增加,截齿截割载荷增大,且截割载荷与夹矸位置呈抛物线关系;给出截齿垂直和平行层理截割力特征值占比的度量,反映截割顶板易于截割底板的特征;截齿向自由面截割煤岩理论和实验的截割阻力功特征值、断裂位置和断裂崩落线与截割点垂线夹角的平均误差分别为3.10%,3.37%和8.07%,验证了截割煤岩状态特征量数学模型的正确性。该研究通过给出融合载荷特征的截割状态修正与煤岩状态识别的理论基础描述,为进一步精准实现智能化采煤机调高-调速二元协调控制提供了借鉴。     

采煤机截割状态与煤岩识别的关联载荷特征模型

针对采煤工作面煤层的厚度变化、含夹矸和包裹体的不确定性,以及复杂煤岩占比和岩层位置辨识的差异,致使采煤机在截割过程中会产生无效调整截割高度的情况,影响其可靠性和智能化技术水平。截割煤岩载荷特征及其关联截割状态的模型可以预测、修正和决策采煤机截割行为,提升采煤机智能化程度。借鉴多信息实时修正记忆截割与煤层三维地质信息建模等方法,提出了采煤机自主调高-调速二元协同控制模式及截割状态关联特征模型,考虑煤岩赋存条件以及滚筒相对煤岩层的位置和工作参数,划分滚筒截割过程为顺转截割、逆转截割、向和逆自由面截割以及截割顶底板和夹矸等截割状态,分析截齿截割煤岩的过程与状态,构建了向和逆自由面截割状态特征量的数学模型和截割顶底板位置与占比的识别定量载荷关联特征模型,给出了截齿垂直、平行于层理方向截割力的累计占比计算方法,通过旋转截割实验验证截割煤岩载荷特征模型的准确性。根据截割顶、底板、夹矸岩层前后载荷变化导致的截割电机电流变化规律与调高液压缸两腔压力的关联性变化规律,结合截割状态的关联载荷特征模型,修正与预测截割状态和岩层位置,确定了修正采煤机调高调速行为协调控制的截割状态特征参量。研究表明:向自由面截割煤岩断裂位置大于逆自由面的,向自由面易于破碎煤岩,且截割载荷与比能耗均小;分别获取截齿截割顶底板载荷增量与方向角,载荷增量均与岩层厚度呈正相关性,但截割顶底板方向存在明显差异;随截割夹矸岩层厚度增加,截齿截割载荷增大,且截割载荷与夹矸位置呈抛物线关系;给出截齿垂直和平行层理截割力特征值占比的度量,反映截割顶板易于截割底板的特征;截齿向自由面截割煤岩理论和实验的截割阻力功特征值、断裂位置和断裂崩落线与截割点垂线夹角的平均误差分别为3.10%,3.37%和8.07%,验证了截割煤岩状态特征量数学模型的正确性。该研究通过给出融合载荷特征的截割状态修正与煤岩状态识别的理论基础描述,为进一步精准实现智能化采煤机调高-调速二元协调控制提供了借鉴。     

基于声发射与D-S证据理论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智能化监测,采用声发射信号采集装置对截割4种不同比例煤岩试件的信号进行采集,应用3层小波包分解及重构技术对信号进行处理,并提取特征值作为样本空间,利用D-S证据理论方法对截齿磨损程度进行智能识别。结果表明:12.5～25.0 kHz频段和37.5～50.0 kHz频段内能量集中,且能量随截齿磨损程度的增加而减小,因此选取上述2个频段能量占总能量的比值作为特征值,在4种工况的证据体联合作用下,截齿磨损状态智能识别精度达到约90%。此方法可为准确掌握截齿磨损状态,确定截齿更换周期,提高采煤机的截割效率,实现井下智能化开采提供基础。     

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。     

煤岩界面的高光谱识别原理

为研究以物性成分为辨识依据的煤岩高光谱识别技术,对来自我国不同煤矿生产线的煤岩试样在350~2 500 nm波段范围进行了反射光谱的采集。通过分析代表性样品的光谱反射率曲线,得出了煤岩的主要吸收谱带,发现了岩在2 200 nm附近表现为强吸收,而煤在此波长点附近吸收不明显,原因为岩中含Al-OH振动结构的矿物含量较高,而煤中此类矿物含量较低。以此2 200 nm附近煤岩吸收差异性为煤岩识别的基本原理,通过初步预处理和包络线去除预处理的方法,在全波段和2 150~2 250 nm吸收谷特征谱带,采用了4种识别算法模型,对训练集光谱数据进行训练,预测测试集光谱类型。测试集试样类型总体识别精度达到90%左右,且具有较好的一致性,识别速度达到毫秒级,实时性好,这些原理和识别方法为实际工程应用提供了参考。     

煤岩界面识别的声学建模

为解决煤岩界面识别问题,采用声学探测法,依据声波在水煤、煤岩界面反射、折射时,在界面处满足声压连续和质点速度连续的物理性质,建立了声学传输路径模型.考虑到经过分界面的声波在介质中传播的同时存在介质衰减,推导出声波在水、煤、岩3种介质传输时于水煤、煤岩2个界面传播、反射的回波公式,构成路径传输煤岩识别声学模型.该模型为包含不同介质的声吸收系数、特性阻抗、厚度和声波频率、幅值比模数的非线性方程.通过搭建煤岩识别试验平台,水听器作为声波收发仪器,与信号发生器、示波器构成收发系统和分析装置,使用SIMULINK模拟声波收发及建模过程,标定介质的声吸收系数,求解发射、接收声波的幅值比模型方程获得煤层厚度、水层厚度数值解,从而验证了模型的可行性.仿真试验表明,理论煤厚识别误差为0.03 m,后续将通过现场试验进一步验证.     

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。     

基于ANFIS的多信息融合煤岩识别方法研究

将采煤机滚筒截割振动特性作为煤岩识别的标识之一,利用自适应模糊神经网络推理系统(ANFIS)将采煤机的工作状态信息进行融合,建立了多信息融合的煤岩识别模型,并利用模拟实验中采集的数据完成煤岩分界识别的实验研究,结果表明利用该方法实现采煤机的煤岩识别是可行的,并为实现采煤机姿态的自动控制提供依据。     

基于EDEM的煤岩截割过程仿真分析

为了研究截齿截割煤岩的动态破碎过程以及不同切削厚度对切削力的影响,采用离散元软件EDEM建立了煤岩截割的三维离散元模型并进行了仿真分析。仿真结果表明三维离散元法仿真煤岩截割的过程与Evan的密实核理论一致,证明了采用三维离散元法的可行性;截齿平均切削力随着切削厚度的增加近似呈线性增大趋势。