基于岩石截割试验的悬臂式掘进机设备优化选型

如何将悬臂式掘进机与金属矿岩体特性、采矿方法、采矿工艺相结合,进行合适的设备选型,成为制约掘 进机顺利使用及效率发挥的重点。通过分析悬臂式掘进机截齿截割破岩过程,以金属矿掘进机机械采矿为研究背 景,提出了悬臂式掘进机设备优化选型方法。以实际矿山为研究对象,获取矿山现场岩样来开展单截齿截割破岩试 验,测试截齿破岩的最大截割力与比能耗。将１６０、２００、２６０、３８０型号悬臂式掘进机截割头截齿截割力转化为单截齿 截割破岩力,并与截齿截割破岩试验结果进行对比,以此推荐满足破岩能力要求的掘进机截割功率。基于上述研究 成果,对实际工况下截割效率与生产能力进行预测,详细测算其采矿作业技术经济指标,从而实现对悬臂式掘进机进行 优选,最终推荐适用于矿山的悬臂式掘进机设备型号为２６０型。通过上述方法创新了地下非煤矿山掘进机设备选型方 法,弥补了传统仅靠岩石单体强度经验推荐掘进机的缺陷,适用于我国非煤金属矿山的悬臂式掘进机设备优化选型。     

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。     

竖井掘进机SBR镐型截齿破岩载荷及比能研究

在竖井施工中,截削式掘进机主要靠安装在截割滚筒上的截齿进行破岩,截齿破岩性能的好坏直接决定了掘进机性能的优劣。文章利用有限元方法对单把截齿截割破岩过程进行模拟,分析了截齿在关键参数截割厚度、截割角、齿尖锥角和截割速度下破岩载荷的变化规律;基于正交试验方法,研究此4个关键参数对截齿破岩比能的影响,通过对试验结果进行直观分析和方差分析,得到截齿破岩比能影响因素的主次顺序和截齿破岩参数的最优配置。     

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。     

截割参数对采煤机截齿受力影响研究

分析了采煤机截割实际情况，确定了截割半径、牵引速度、滚筒转速、煤层介质等截割影响参数；运用仿真和试验的方法研究了采煤机截齿在实际工况下作业时受力情况。仿真和试验结果表明：不同截割参数下，采煤机截齿截割力均呈现先增加后减小的趋势；不同截割参数下，截齿截割力峰值不同；采煤机截齿截割力试验值与仿真值基本一致，且最大相对误差为5%，试验验证仿真分析准确性，该研究为采煤机截齿受力特性的改善和疲劳寿命的提高提供借鉴。     

采煤机镐形齿与刀形齿截割力试验分析

为分析镐形齿与刀形齿的截割力的关系 ,自制试验台并建立试验测试系统 ,通过对试验数据、理论的分析获得镐形齿的数学模型。     

截线间距与截齿截深的比值对截齿截割力的影响

为了研究截齿在破岩过程中的截割力,进一步提升截齿截割效率,用SolidWorks建立了截齿截割岩石的三维模型,使用HYPERMESH对模型进行网格划分,利用ANSYS/LS-DYNA动态仿真软件,建立了截齿破岩三维有限元模型,采用Holmquist-Johnson-cook(HJC)模型对岩石材料进行了数值模拟,研究了切削厚度分别为2.5、5、7.5 mm时,不同截齿中线间距所对应的截线间距与截齿截深的比值对截齿截割力的影响,结果表明:改变截线间距来改变截线间距与截齿截深的比值时,截齿所受的截割力会产生波动,不同的截齿截深所造成的截齿最小作用力对应的比值不同;同时,截齿截深所影响的截齿作用力在实验中占较大一部分,因此,在合适的截齿截深的条件下,合理改变截线间距与截齿截深的比值可以有效减少截齿所受的截割作用力,提高截齿的寿命。     

轴向振动截割下碟盘刀刃与煤岩作用机制及其载荷模型

针对现有刀具截割复杂地质条件煤岩(尤其截割硬岩时)损耗高、效率低和易磨损等问题,提出了具有截-楔效应的碟盘刀具复合振动截割破碎煤岩的方法,碟盘刀具径向进给与不同振动形式和姿态来实现复合截割破碎煤岩。以碟盘刀刃为研究对象研究轴向振动截割对煤岩损伤破坏的力学特性,基于剪切破碎理论给出刀刃作用载荷破坏煤岩条件以及刀刃轴向向下振动、向上振动和径向截割煤岩时等效集中载荷的计算方法,采用位移应变等效力合成的方法建立刀刃结构参数与载荷关联模型,模拟研究其径向单作用截割和轴向振动复合截割工况下破碎煤岩的载荷特性,研究碟盘刀具在有振和无振的实验条件下破碎煤岩载荷,对比分析了刀刃载荷的理论计算、数值模拟与实验。结果表明：碟盘刀刃对煤岩的损伤区域面积由中间向两侧逐渐递减与数值模拟应力云图相吻合;振动截割条件下数值模拟和实验的刀刃径向载荷均小于无振条件下的载荷值;轴向振动截割下其数值模拟和实验载荷均与轴向振动位移呈现明显的周期波动规律,且存在超前相位差,径向与轴向载荷幅值与振动位移幅值非同时性,其相位差随振动频率增大而减小;随着截割厚度增大,碟盘刀具径向载荷理论值、模拟值与实验值呈现递增变化规律相吻合,且其误...     

截齿顺次破岩机制的细观数值模拟及截线间距优化研究

为优化镐型截齿在截割头上的布置以提高掘进机截割效率, 借助PFC^3D颗粒离散元数值模拟软件构建了两把截齿顺次截割岩石的三维模型, 对不同截割深度和截线间距组合工况进行了模拟试验, 分析了镐型截齿顺次破岩机制和最优截线间距与截割深度的比值(s/h)。结果表明, 岩石在截齿作用下的破坏模式以张拉破坏占主导, 并伴随挤压和剪切的综合破坏; 截齿顺次截割时, 两相邻截齿之间存在明显的协同作用, 前刀在岩石内残留的裂纹使得岩石易于截割, 可以提高后刀的截割效率; 在模拟试验范围内, 随着s/h值增加, 比能耗呈先减小再增加的变化规律, 模拟结果表明最优s/h值约为3。该研究可为掘进机截割头排布设计提供参考依据。     

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。     

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。     

镐形截齿硬岩截割磨损研究

对硬岩截割后镐形截齿磨损进行了研究,通过分析截齿在截割头上的排列位置,对截齿进行编号,采用称重和分类法得出各截齿截割后的破坏程度,并从截齿的结构和受力角度出发,找出硬岩截割各位置截齿常见失效形式及其失效原因,并从经济角度证明了新型进口截齿的优越性。从截齿的制作工艺、选择与安装、截割工作方面提出了一些建议,从而提高截齿的使用寿命。     

掘进机截齿试验装置的方案设计

在掘进机镐形截齿选型的过程中,除了要对截齿进行理论分析,还要在井下进行试验验证。通过设计一台掘进机截齿试验装置,可以在试验室对截齿进行模拟截割试验。利用该装置,可以对不同规格的截齿在不同截割硬度、不同截割参数等条件下进行一系列的截割试验,为合理地确定截齿的有关截割参数,进一步提高截割效率和性能提供了可靠的资料。     

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。     

不同齿身锥度和合金头直径截齿的截割试验

为研究不同截齿的截割性能,研制了5种不同形状的截齿;并在自制的截割试验台上对5种截齿进行试验,分析了不同截齿截割产生的采煤机滚筒扭矩的最大值、最小值、均值、方差等参数;对截落煤岩的块度进行分级处理,研究不同截齿截割块煤率的大小以及截落煤岩的块度分布规律.分析结果表明：不同形状的截齿,随着截齿合金头直径、齿身锥度的变化,其截割力、块煤率的变化是不同的.阶梯型截齿随着齿尖合金头直径减小、齿身锥度增大,其截割力减小、载荷波动增大、块煤率下降;齿身锥度、合金头大小与截齿截割力的关系服从指数分布,截割煤岩的块度也服从指数分布.对于锥型截齿,当齿身锥度较大、合金头较小时,其截割力较小、载荷波动较小、块煤率较大.     

不同截割线速度截齿受力的分析

探讨了截割硬岩时截割线速度对截齿受力和应力分布的作用情况,通过Pro/E三维建模,利用ANSYS对不同截割线速度下截齿受力情况进行有限元分析。分析结果表明,随着截割线速度的增加,截齿所受最大应力减小,而随着线速度的继续增加,最大应力值减小的幅度降低。     

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。     

采煤机截割部截齿的有限元分析

主要利用有限元分析软件ANSYS Workbench对采煤机截割部截齿进行分析,得出采煤机截割部单个截齿的应力和位移分布图,解释了采煤机截割部截齿在截割煤层时,截齿的受力情况,为后续截割部截齿的设计奠定一定基础。通过对截齿的失效分析,提出一些改进方案,为截割理论的完善提供一些依据。     

纵轴式截割头缺齿截割载荷仿真

以EBZ135掘进机顺序式截齿排列的截割头为例,对不同位置缺失一个截齿时截割头破岩载荷进行仿真研究,得到了载荷波动曲线及其统计量,并与正常截割时的载荷相比较,结果表明:同等条件下缺齿截割较正常截割载荷波动性系数明显增加,约为未缺齿时的2倍,载荷低频的波动频率由截割头转频与螺旋线头数的乘积变为截割头转频。结论对纵轴式截割头缺齿截割检测有一定的理论指导意义。