碟盘刀具振动切削煤岩的理论力学模型与载荷特性

针对煤岩机械刀具破碎煤岩寿命和效率低的问题,提出一种具有轴向振动与径向切削破碎煤岩的方法,为探明碟盘刀具在轴向振动与径向切削破碎煤岩的力学特性,通过分析煤岩崩落面积、当量崩落角、载荷的集中力及其作用位置角,以单位断裂面上受力极限强度和最小能量法的准则,构建碟盘刀具破碎煤岩力学模型。基于扩展线性Drucker-Prager塑性本构模型,采用ABAQUS软件模拟碟盘刀具破碎煤岩的应力云图和载荷特性,在振动切削试验台上通过设定振动频率和振幅等参数测试不同切削厚度下的碟盘刀具破碎煤岩的载荷谱,提取数值模拟和试验碟盘刀具破碎煤岩的载荷特征,对比分析理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值和数值模拟峰值的均值。结果表明:碟盘刀具破碎煤岩的破裂范围呈现月牙状,由中间向两侧递减;振动切削煤岩时其径向载荷明显小于单作用径向切削煤岩的载荷;碟盘刀具在轴向振动与径向切削时不同切削厚度径向载荷理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值的平均误差为9.12%,与试验载荷峰值均值的平均误差为4.88%;轴向载荷理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值的平均误差为9.25%,与试验载荷峰值均值的平均误差为8.34%。通过数值模拟...     

碟盘刀具轴向振动破碎煤岩载荷模拟与粉碎量研究

为提高煤岩的破碎效果,利用ABAQUS有限元软件分析一种碟盘刀具破碎煤岩的载荷特性,在切削厚度为14～30 mm的工况下分别进行碟盘刀具轴向振动与径向切削和径向单作用破碎煤岩的仿真试验,采用数值统计和分形比例系数的方法分析碟盘刀具破碎煤岩的载荷谱。结果表明:在碟盘刀具楔面角度为45°时、切削厚度14～30 mm的范围,无轴向振动的碟盘刀具破碎煤岩的径向载荷峰极大值与峰均值比有轴向振动情况下的大6.2%、8.4%,从数值模拟应力云图可看出,施加轴向振动的碟盘刀具破碎煤岩时其楔面对煤岩的应力影响范围更广,计算径向载荷谱的分形比例系数可知,无轴向振动的分形比例系数比有轴向振动条件下的大20.5%～67.5%,说明有轴向振动下更有利于煤岩的大块崩落。该研究可为碟盘刀具的深入研究及工程实际应用提供参考。     

边缘牙齿形碟盘破碎煤岩的力学机理及其模型

为提高煤岩的破碎效率与破碎能力,介绍一种具有楔劈特征的边缘牙齿形碟盘轴向振动与径向切削破碎煤岩的方法。采用抗压、抗剪等不同阶段主导作用相结合的力学方法,分析牙齿宽度对煤岩在挤压、压裂和破碎各阶段,以及由碟盘楔面倾角楔劈作用下大块煤岩崩落各过程的力学关系;运用复合作用效应的叠加原理,建立了各工况下破碎煤岩的力学模型,揭示边缘牙齿碟盘破碎煤岩的力学机理。研究表明:在煤岩由初期压馈小岩坑的形成、裂纹的产生、贯通直至由碟盘楔面楔劈作用下大块煤岩崩落过程力学描述的基础上,得到了碟盘径向与轴向载荷与碟盘结构参数,以及煤岩破碎相关联参数的数学模型;得出复合轴向向上运动方式有利于破碎煤岩依据;碟盘刀具径向与轴向载荷均随切削厚度的增加而增加,单切削作用时理论模型径向和轴向与数值模拟计算结果相差11%和4%,复合作用时理论模型径向和轴向与数值模拟计算结果相差3%和18%,验证了理论计算与数值模拟其载荷随破碎煤岩厚度等参数的变化规律具有一致性。该研究为高效率、高破碎能力的破碎机构研制提供了理论参考。     

碟盘刀具上刀齿切削煤岩的载荷特性研究

为探求碟盘刀具切削煤岩载荷规律和高效破碎煤岩机构特性评价方法,采用碟盘刀具结构简化处理方法,以一个刀齿作为等效分析单元,在载荷理论模型构建中,给出了等效切削厚度的概念和算法,以数值模拟、试验和理论方法获取了刀齿切削煤岩的载荷曲线,探讨轴向振动径向切削煤岩载荷特性和对比特征。结果表明:刀齿径向切削数值模拟、试验和理论载荷随楔面角的变化规律是吻合的,验证了刀齿径向切削煤岩力学模型的正确性,其理论径向载荷与试验最大值和平均值分别减小5%和增大14%,轴向载荷均值理论与试验均值减小19.5%,轴向载荷方向呈现正负的变化,当完全楔入煤岩中,轴向载荷方向呈现由向下变为向上的变化规律。类比分析了刀齿轴向向上振动与径向复合切削,其径向载荷理论值比径向切削试验均值减少了约32%,而轴向载荷比试验均值减少了约27%。碟盘刀具轴向振动径向复合切削方法破碎煤岩特性的研究,为研制硬岩破碎机构提供技术参考。     

截楔刀齿振动切削破岩载荷特性的数值模拟

为研究碟盘刀具在轴向振动和径向切削复合破岩过程中应力的分布情况及载荷特性,以单个截楔刀齿作为等效分析对象,采用ABAQUS软件建立截楔刀齿等效模型,模拟刀齿破岩过程,分析不同结构下刀齿的应力云图和载荷曲线。结果表明:齿尖部分所受应力远大于齿体部分,且齿体与齿尖所受应力最大值均与刀齿楔面角度正相关;楔入深度增加,应力分布区域由齿体向齿尖处集中。径向载荷的峰值和均值均与齿尖等效半径正相关,且大于轴向载荷的峰值和均值;轴向向下载荷峰值与等效半径正相关,向上载荷峰值和径向载荷均值则负相关;轴向载荷均值受等效半径影响较小。该研究为新型破岩刀具的设计提供了理论依据。     

刀形截齿截割阻力的理论和试验研究

根据刀形截齿截割破碎煤岩过程的宏观现象,应用拉破坏理论建立了刀形截齿截割破碎煤岩的理论模型,从而导出了截齿截割煤岩时的断裂角和截割阻力的理论表达式。试验结果表明,理论计算值与试验值非常吻合     

煤岩样力学参数下碟盘刀齿破岩数值模拟

为研究煤岩模拟材料的力学性能参数,将煤、水泥按比例配制,进行单轴压缩试验,依据测得的煤岩样参数进行破碎煤岩的数值模拟试验。结果表明:随着配比的增加,抗压强度呈指数关系下降,力学参数下所得振动切削煤岩的Mises应力影响比径向切削的范围更广,并且振动切削的径向载荷比径向单作用切削情况下小17%。该研究为后期截割材料的制作以及截割试验的进行奠定了基础。     

载荷谱细观特征量与截割性能评价的熵模型

为研究煤岩截割破碎载荷谱特征及性能的评价方法,通过对实验瞬态载荷谱及其细观特征量的提取,提出载荷谱能量积聚段梯度、幅值增量和能量的3种特征量的算法,给出载荷谱细观特征推演宏观截割性能评价的数学描述,采用熵理论对载荷谱进行关联性分析,建立了载荷谱特征量熵和综合加权熵的数学模型,以截齿截割煤岩的力学过程为例,在时域范畴内探讨不同滚筒转速的煤岩破碎载荷谱特征及效果。结果表明:在最大切削厚度相同的条件下,载荷谱熵随转速增大呈增大的变化规律,随转速的增大,载荷谱序列的无序度随之增大,表征煤岩破碎程度和粉尘量的相对变化趋势,载荷谱特征量熵和综合加权熵与比能耗和破碎程度等性能指标间呈正相关性。提出的载荷谱熵模型与算法可作为截割性能评价的一种有效方法。     

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。     

EBH300A横轴悬臂式掘进机截割头结构振动模态分析

对EBH300A横轴悬臂式掘进机截割头的各装配部件采用非线性有限元接触配合,与工程实际情况接近,避免了单一线性结构有限元计算分析的缺陷。利用Block Lanczos法计算截割头的前10阶模态,得到了截割头前10阶模态固有频率和振型。通过模态分析得出的截割头三维振型位移云图显示出复杂多样振动形式:包括轴向振动、径向振动和扭转振动;处于截割煤岩区域的低频大幅度振动对滚筒及截齿截割煤岩有重要影响。     

自振脉冲射流预制裂隙对机械刀具破岩过程温度影响特性

针对硬岩巷道掘进过程中机械刀具磨损加剧问题,利用高压水射流破岩系统以及机械刀具截割破岩试验系统,建立评价自激振荡脉冲射流预制裂隙情况下机械刀具破岩性能参数指标,研究了不同自激振荡喷嘴结构参数(振荡腔腔长、截面锥角)以及工作参数(系统压力、横移速度)对机械刀具降载减磨特性的影响规律,分析了自激振荡脉冲射流预制裂缝对机械刀具破岩过程中截割载荷与刀具温度的影响特性,试验结果表明,截割载荷与刀具温度均随射流系统压力的增加而降低,随振荡腔腔长与截面锥角的增加呈先升后降的变化趋势,随横移速度的增大而逐渐增大。相对于无预制裂隙情况下的截割载荷,当系统压力处于30,40,50以及60 MPa时,机械刀具截割载荷减小率分别为15.12%,20.84%,27.01%以及29.24%。当截面锥角分别为90°,120°,140°,160°及180°时,截割载荷受力变化率分别降低了22.87%,27.27%,31.13%,33.82%及29.78%。对于横移速度分别为4,6,8,9及10 m/min的截割载荷变化率分别降低了43.6%,35.3%,32.9%,31.1%及30.7%。当射流系统压力、振荡腔腔长、...     

矿山煤岩破碎方法研究进展及展望

针对采掘装备在煤巷、岩巷工作中截割机构磨损严重、作业效率低等问题,开展了矿山煤岩破碎方法的分析、总结和探索研究。根据煤岩普氏系数将煤岩类型分为煤、半煤岩、硬岩及高硬岩,并针对目前采掘装备在煤巷和半煤岩巷中存在的问题,阐述目前铣削破岩、冲击破岩、滚压破岩及滚拉破岩等机械破岩技术与纯水射流、脉冲射流、空化射流及磨料射流等水射流破岩技术的工作原理及前沿研究现状。首先,针对煤炭开采中因夹矸、硬包裹体煤层硬度大导致采煤机截割机构磨损严重、机械化开采效率低的问题,进行了截齿破碎煤岩机理及性能、截齿磨损机理、滚筒结构创新设计等方面的阐述,指出目前煤层及夹矸煤层应突破煤岩破碎与高效截割机构设计等新技术,以解决煤层安全高效开采的难题;针对半煤岩巷进行了截齿与煤岩互作用力学模型、截齿自旋转减磨截割机理、截割机构截齿布置理论及最优化设计方法等方面的概述,结合半煤岩巷作业效率低、机械刀具磨损严重等问题,从理论、数值模拟和实验等方面分析了各种水射流冲击破岩方法工作原理及研究现状,并指出为提高复杂多变地质条件下半煤岩巷掘进装备的掘进效率,应根据截割工况设计截割机构刀具排列方式,并采用自适应技术规划掘进工作参数、掘...     

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。     

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。     

大功率采煤机截割部双列圆锥滚子轴承接触载荷分布

对截割部外负载进行了计算分析,并通过对行星架进行受力分析,求解得到了双列圆锥滚子轴承受到的所有力和力矩的数值。建立双列圆锥滚子轴承仿真模型,通过求解得到大功率采煤机截割部工况条件下的双列圆锥滚子轴承内部接触载荷分布;通过改变仿真模型中双列圆锥滚子轴承的轴向游隙值,求解得到轴承接触载荷分布随轴向游隙的变化数据;然后绘制成三维曲面图并总结了接触载荷分布随轴向游隙的变化规律。为进一步研究在大功率采煤机截割部工况条件下双列圆锥滚子轴承的温升、疲劳寿命等提供了参考依据。     

截齿破碎煤岩侧向载荷分布特性研究

为探求不同类型镐型截齿破碎煤岩侧向载荷分布规律,实现低能耗、高效破碎煤岩,利用多截齿参数可调式旋转截割实验台,采用锐齿、棱齿和钝齿分别开展破碎煤岩测试实验研究,应用概率论与数理统计分析方法,给出不同类型截齿破碎煤岩侧向载荷的分布特性。结果表明:在实验研究范围内,三种截齿侧向载荷呈正负交替的变化趋势均较显著。棱齿侧向载荷负向波动较为明显。侧向载荷统计特征服从正态分布规律,分布特点可表征煤岩体的崩落状况。     

基于MATLAB-GUI的横轴式掘进机截割岩石的载荷模拟分析

通过建立横轴式掘进机截割头载荷模型,编制Matlab程序,利用Matlab的gui功能,设计了截割头载荷模拟的人机界面系统,对国产某型横轴式掘进机截割岩石的载荷进行了模拟,为了解掘进机截割硬岩时截割头的载荷,转矩及功率的大小与变化、掌握掘进机对岩石的适应性、确定横轴式掘进机的截割能力提供了方便。     

悬臂掘进机钻进工况下的载荷谱分析

掘进机载荷的波动性和随机性严重影响了掘进机的工作性能。为了揭示掘进机钻进工况截割载荷的动态特性及规律,在UG中建立了截割头截割煤壁钻进工况的模型,通过LS_DYNA软件对掘进机截割煤壁的过程进行了模拟仿真,得到了截割头所受的三向力以及截割阻力,并对其进行了自相关函数、互相关函数以及功率谱分析,通过分析其载荷特性来降低截割头的振动。结果表明:y方向力和合外力含有较多的周期信号成分,截割头所受x方向力与所受y方向力之间的相似性很大,y方向力与z方向力之间的相似性也很大,截割头所受载荷的主要频率功率谱处在0~10 Hz和50~65 Hz。