截割参数对镐型截齿截割比能耗的影响

为了研究相关截割参数对截割比能耗的影响,基于直线截割试验装置,在不同截割角条件下,使用5种不同锥角的镐形截齿对一种砂岩进行截割试验,研究了相关角度参数对截割力和比能耗的影响;在截割角为55°时,使用锥角80°的截齿,在不同截割厚度和截线距条件下进行截割试验,探讨了截割厚度和截线距对截割力和截割比能耗的影响。试验结果表明,清理角对截割力和截割比能耗有显著的影响,当清理角过小时,截齿与岩石之间产生严重的摩擦使截割力明显较大,从而使截割比能耗较大。当清理角小于等于10°时,平均截割力随截齿锥角的增大呈线性增大,随前角的增大呈线性减小,此时截割比能耗明显小于清理角大于10°时的截割比能耗,但锥角和前角对截割比能耗未见明显的影响趋势。平均截割力随截割厚度和截线距的增大呈线性增大。截割比能耗随截割厚度的增大呈幂函数减小。截线距与截割厚度的比值存在一个最优值使截割比能耗最小,此时截割比能耗相对无截槽影响时约降低65.1%。截线距与截割厚度比值的最优值为2或3,且该比值不受截割厚度和截线距的影响。这些结论对镐型截齿工作角度的设计及采掘机械工作机构截齿布置有重要的指导意义。     

采煤机截齿截割阻力曲线分形特征研究

基于分形理论，给出了分形特征的一般形式及其计算方法——非闭合分形曲线长度与围成面积的估算模型和盒维数的算法。在盒维数计算中，提出了覆盖曲线盒子总数的累加算法，并明确给出了评价截割阻力曲线的分形维数等特征量的实际物理含义。     

镐型截齿与刀型截齿优势之比较

本文就镐型截齿与刀型截齿的优劣从理论上进行了分析对比，在实践中进行了应用对比，阐述了镐型截齿在煤矿生产中更为优越、合理、高效。     

镐形截齿截割参数及几何参数研究

 摘要：基于镐形截齿拉坏破岩模型,在考虑岩石性质的情况下推导出了镐形截齿合金头的理论长度和最佳截槽间距的表达式,并推导出了考虑破岩摩擦力情况下的镐形截齿破岩截割阻力的表达式,经计算与相关研究结果基本一致,且计算精度有所提高,分析表明摩擦力对截割阻力有一定的影响。这些对镐形截齿和采掘机械工作机构的设计选型具有理论指导意义。     

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。     

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。     

镐形截齿截割磨损研究

为了研究镐形截齿截割夹矸煤岩时截齿磨损的关键因素,对镐形截齿磨损形式进行分析,得出镐形截齿截割夹矸煤岩的磨损机制,根据夹矸煤岩的物理特性配制试验煤样,通过对镐形截齿结构的分析,并在牛头刨床上进行镐形截齿截割试验。试验结果表明,镐形截齿截割夹矸煤岩时齿身上部磨损较剧烈,有明显的磨损划痕,且划痕偏向基本一致,合金头一侧有大块崩落,其余部分有可见裂纹。试验得出镐形截齿截割夹矸煤岩的磨损特性,对镐形截齿的设计及应用具有指导意义。     

采煤机镐形截齿截割力模拟

利用LS-DYNA对采煤机镐形截齿的截割过程进行了模拟,在给定不同的截割速度的情况下,得到了截割力3个方向分力的变化规律。模拟结果表明:在截割过程中随着截割速度的增大,截割阻力、牵引阻力和侧向力的平均值表现出不规则的变化趋势。     

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。     

镐型齿截煤机理研究

基于镐型齿截煤理论不完善的现状，采用力学分析与试验研究相结合的方法，对镐型齿截煤机理进行了研究。在国内首次采用高速摄影的研究手段，对煤体裂纹扩展的动态过程进行了分析。指出煤体在刀具作用下的碎裂，主要是其内部缺陷——原生裂隙在拉、剪应力共同作用下的结果，且截割力与切削深度基本成线性关系。     

煤截割粒度分布规律的分形特征

为寻找煤粒度的分布规律,根据分形理论建立了煤粒度分布的分形表达式,以此为基础,在不同截割条件下进行试验研究,并与威布尔分布作比较,寻找煤破碎特性指数、破碎程度参数、分形维数与影响参数的关系.试验分为3部分：首先,对不同结构参数的截齿、滚筒进行截割试验,根据试验结果对比2种分布函数对煤粒度分布表达的合适性,并对参数间的关系进行探讨;其次,对不同抗压强度(1.43,1.97,2.48 MPa)的模拟煤进行截割试验,寻找2种分布函数与煤抗压强度的关系;最后,通过变化截割运动参数,研究切屑厚度对煤粒度分布的影响及各参数与切屑厚度的关系.研究结果表明：威布尔分布、分形分布均可表示煤粒度的分布规律,但威布尔分布中的煤破碎特性指数、破碎程度参数不能正确反应煤的破碎程度以及与各截割参数间的关系;而分形分布的分形维数可以正确表达煤的破碎程度,并与煤抗压强度、切屑厚度呈线性关系.     

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。     

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。     

修正离散正则化算法的截割煤岩载荷谱的重构与推演

为探求镐型截齿载荷反演定量求解的方法,利用多截齿参数可调式旋转截割实验台,对不同楔入角镐型截齿的载荷进行关联分析。采用修正离散正则化方法,根据镐型截齿实验载荷谱及其结构和运动参数,重构其载荷谱,提取载荷谱特征参量,给出不同楔入角载荷谱的拓扑关系及推演算法。结果表明:楔入角在35°~50°以及楔入角和齿尖半锥角之和小于90°时,给出了实验截割载荷随楔入角的增大呈现出极值性的变化规律。重构40°和45°楔入角截齿载荷谱的特征值易辨识和提取,其截割能量主要处在1~4 Hz,二者均值关系为F40°≈1.2F45°,幅值之间具有正相关性,其相关系数r=0.976 7。其推演和重构载荷的特征值与实验最大值误差分别为1.5%,9.8%,均值误差分别为5.5%,1.6%,二者具有较高的吻合度。     

煤层水力割缝系统过渡过程能量特性与耗散

煤层水力割缝能有效促进瓦斯解析运移,提高瓦斯抽采率,但割缝系统运行中发生的过渡过程会形成瞬时强冲击波作用于煤层,若控制不当易诱发喷孔、抱钻,甚至产生煤与瓦斯突出。针对该问题,采用理论分析和实验测试方法对自主设计研发的不同结构水力割缝系统过渡过程压力-流量特性进行了讨论和测试,分析了过渡过程中系统能量特性与耗散规律。结果表明:系统过渡过程中流体携带能量发生快速激增,能量激增量与水力割缝结构参数相关,激增能量通过高速冲击传递给煤层,改变煤层原始应力,诱导煤层快速卸压,部分激增能量在管路中消耗;结构对系统过渡过程激增能量影响不同,对发生过渡过程,能量随结构面积的增加而增加,但单位能量不变,激增后能量随结构面积的增加而减小,单位面积能量减小,改变结构有效面积是控制过渡过程激增能量的有效方式,可有效降低作业过程中煤与瓦斯突出的危险。     

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。