含硫化铁结核薄煤层采煤机工作机构载荷问题

通过对含硫化铁结核薄煤层采煤机工作机构实际工况的分析,建立了复杂煤层条件下采煤机滚筒的受力模型,利用Matlab软件编制了滚筒瞬时负载的模拟程序;生成了滚筒瞬时负载的文本文件,并将其成功地导入机械系统运动学和动力学仿真软件ADAMS环境下建立的采煤机截割部刚柔耦合虚拟样机系统中,为定量研究采煤机截割部工作的可靠性提供了条件,使复杂煤层赋存条件下的薄煤层实现综采成为可能.研究结果表明,利用Matlab能准确地模拟复杂地质条件下采煤机工作机构遇到大块、硬结核体时滚筒瞬时负载的剧烈变化;Matlab文件操作函数生成负载文本的方法,能有效处理具有非线性、时变性、强耦合的复杂载荷问题.     

采煤机工作机构载荷模拟

通过对采煤机工作机构实际工况的分析,建立采煤机滚筒在复杂煤层条件下受力模型,并通过Matlab软件编写计算程序,求得滚筒瞬时负载时变曲线,同时将生成的负载导入到多体动力学软件ADAMS中,为研究采煤机截割部受力提供了理论依据,也为采煤机负载计算提供了新思路。     

采煤机滚筒截齿的载荷分析及性能研究

滚筒采煤机是机械化采煤作业的重要设备,而截齿是直接与煤岩接触并参与截割的部件,其性能对采煤机的整机性能及工作效率有直接的影响。因此,对采煤机滚筒截齿的破煤机理以及瞬时载荷进行了分析,并分析了截齿性能对整机性能的影响情况,对日常采煤机滚筒截齿维护工作具有一定的现实意义,有助于提升采煤机的工作效率,实现生产效益的提升。     

大功率采煤机滚筒负荷计算研究

从基础理论力学出发,对大功率采煤机截割滚筒进行受力分析,建立滚筒截齿三向力受力数学模型,设定采煤机计算参数及滚筒截齿排布方式,计算采煤机前后截割滚筒截齿负荷情况,拟合前后滚筒截齿三向力分布曲线。对滚筒截齿三向负荷均值、负荷均方差及滚筒负荷波动系数进行对比分析,得出结论:前后滚筒截齿的三向瞬时负荷分布情况基本相似,三向负荷呈不规则分布,轴向力大小有突变、方向有改变。此计算方法及分析结果对今后大功率采煤机滚筒及截齿排布设计具有一定的指导意义。     

采煤机滚筒截齿的配置

分析了采煤机滚筒的截齿排列方式,进一步阐明了采煤机工作机构的滚筒截齿排列布置的设计要点,通过改变截齿的排列提高了采煤机的使用寿命。     

突变工况下采煤机截割部齿轮传动系统特性研究

为研究采煤机截割部齿轮传动系统在突变工况下的动力学特性,建立了截割电动机、齿轮传动系统和截割滚筒的采煤机截割部传动系统动力学模型。以电动机输出转速为驱动,以截割滚筒所受转矩为负载,研究了系统在稳定工况、截割负载突变和牵引速度变化情况下采煤机截割部齿轮传动系统动力学特性。结果表明:受负载转矩的影响,稳定工况下低速级行星齿轮部分受外部载荷直接作用,振动最大,随着传动链中阻尼的消振作用,高速部分齿轮副的振动逐渐减弱;截割负载突变和牵引速度的增加使传动系统中高速级齿轮的振动和受力明显加剧。     

截齿排列方式对薄煤层采煤机载荷的影响

根据采煤机破煤理论的单齿受力模型,应用Matlab软件编制计算机程序来模拟薄煤层采煤机滚筒的瞬时负载,得到滚筒随时间变化的载荷谱。并利用此程序对薄煤层典型的4种工况,分别使用4种不同截齿排列方式的滚筒进行了模拟截割,通过分析比较4种排列方式在不同工况下的载荷谱,得出了各截齿排列方式适用的工况范围,为薄煤层采煤机滚筒的设计与选用提供了更为可靠的理论依据。研究结果表明：在一般工况下,为了提高块煤率,推荐采用混合1式和棋盘式的截齿排列方式;在工况恶劣、冲击较大时,推荐采用小截距排列的混合2式截齿排列方式,避免采用棋盘式的排列方式;在含有断层较多,不可避免的要大量截割顶底板岩石时,推荐采用顺序式截齿排列方式。     

采煤机螺旋滚筒的载荷模拟与分析

在对采煤机滚筒单齿受力分析的基础上,考虑到不同工况(牵引速度、滚筒转速、煤岩性质、截齿配置等)对载荷的影响,应用离散化的数值分析方法,通过MATLAB编制程序实例模拟了滚筒3个方向的瞬时载荷分布和力矩分布,并采用载荷波动因数评价了滚筒参数设置的合理性和工作的平稳性,为研究采煤机螺旋滚筒截割过程负载特性和滚筒科学设计提供了理论依据。     

采煤机行星机构可靠性分析

为研究采煤机行星机构的工作可靠性,通过建立行星减速器刚柔耦合模型,对采煤机工作分析确定出截割纯煤和硬结核两种仿真工况,基于滚筒截齿的受力模型对两种工况下的采煤机外部负载进行计算,将外部负载施加给所建模型进行虚拟仿真,得到了不同工况下内齿圈与行星轮之间接触的变化规律,找出了恶劣工况下内齿圈与太阳轮的等效应力分布,研究结果为采煤机行星减速机构的设计及其优化提供了重要参考。     

采煤机滚筒瞬时负荷的分析与研究

根据采煤机滚筒截煤过程及其截齿受力状况的分析 ,研究了截齿处于截割断面的不同位置角时的滚筒瞬时负荷。在此基础上 ,提出了波动因数作为衡量滚筒负荷波动和工作平稳性的指标 ,建立了相应数学模型与计算框图 ,并通过实例演算 ,进行了滚筒瞬时载荷与负荷波动的计算机模拟。     

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。     

基于单齿截割试验条件的截割阻力数学模型

根据单齿截割阻力谱隐含着煤岩破碎性信息以及截齿与煤岩作用的机理,辨识出采煤机滚筒破碎煤岩的截割阻力,提出了基于单截齿截割阻力试验谱、截齿截割规律及工作参数来确定滚筒瞬时截割阻力的新方法,建立滚筒截割阻力试验-理论综合模型,给出了截割阻力模型的3种算法。模拟结果表明：截割阻力的特征和量值均有很好的复合度,反映出了煤岩破碎内在的规律。     

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。     

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。     

采煤机螺旋滚筒急速滚转控制稳定性分析

采煤机螺旋滚筒急速滚转控制稳定性直接影响采煤机的截割性能和作业效率。为此,以某类型采煤机为研究对象,导入采煤机螺旋滚筒基础信息,运算采煤机螺旋滚筒急速滚转控制条件下的载荷信息、截割比能耗、载荷波动系数、受载信息、截割功率。以A1类、A2类两种截齿分布不同的螺旋滚筒为例,计算两种螺旋滚筒的载荷信息、截割功率。研究结果表明,A2类螺旋滚筒急速滚转控制下稳定性最优;A2类螺旋滚筒在多个固有频率阶数下截齿稳定性最差;在多个情景中,A2类型螺旋滚筒在急速滚转控制时,夹矸坚固性系数、牵引速度对其稳定性存在直接影响,螺旋升角对其稳定性不存在直接影响。     

基于多信息融合的采煤机采运参数协同优化研究

以煤岩的相关材料理论为基础,建立煤岩截割三维模型,利用有限元分软件ANSYS对该模型进行仿真。研究了转速和牵引速度与载荷波动系数、截割比能耗、截齿安全系数的关系,得到载荷波动系数、截割比能耗、截齿安全系数的关系式,通过fmincon函数得出结果:当转速为86.2 r/min、牵引速度为3.85 m/min时,采煤机运动参数达到最佳,此时载荷波动系数为0.271,截能比耗为0.785 kW·h/m³,截齿安全系数为2.4。     

复杂煤层条件下采煤机自适应截割控制策略

采煤机是综采工作面的核心装备,复杂煤层条件下,其工况恶劣、环境复杂,采掘装备智能化程度不高,导致我国煤矿开采灾害多、煤机适应性不强、故障率高、效率低,提高煤机装备的可靠性与适应性是煤矿智能化发展的主要任务之一.采煤机工作机构与复杂煤层耦合作用机理及煤岩截割状态与动力传递系统的导控机制,是实现采煤机智能高效截割的关键.基...     

基于多体动力学的采煤机截割部可靠性研究

基于Pro/E、Matlab、ADAMS和ANSYS联合构造的协同仿真环境,建立了含硫化铁结核的薄煤层采煤机截割部刚-柔耦合多体系统模型,解决了输入负载的模拟及建模与仿真边界条件的确定、双电机驱动的采煤机截割部电机转速的匹配等关键技术问题.基于刚-柔耦合采煤机截割部虚拟样机的仿真,找出了截割部关键零件设计上存在的问题：如行星架、行星轴及摇臂壳体的变形过大,动态刚度不足等,为采煤机截割部系统的优化提供了明确的量化依据.有助于在采煤机物理样机制造前就全面掌握其动态性能,提出明确的优化方案并改进设计,降低了新产品的研发成本与时间.     

采煤机滚筒与块煤率的关系分析

根据采煤机截煤理论,采煤机截煤块度的大小与截齿的截割厚度、截齿的排列方式、滚筒转速等有很大关系。通过对块煤率的数学描述,找出了影响块煤率的主要因素,并研究了采煤机滚筒的结构,分析了其各参数对块煤率的影响,得出了提高块煤率的方法。