基于改进遗传算法的掘进机截割机构的多目标优化设计

掘进机截割机构的综合性能是由截割粉尘、截齿消耗量、截割比能耗、载荷波动及生产率决定的,基于改进的遗传算法,将截割机构的结构参数和运动参数作为设计变量,对截割机构的综合性能进行多目标优化设计。优化结果表明,掘进机截割粉尘、截齿消耗量、截割比能耗和载荷波动都相应有所下降,且生产率有着明显提高,有效地提升了掘进机的整机性能,符合了当今及未来掘进机的发展趋势。     

基于有限元分析的煤矿掘进机截割头优化设计研究

根据煤矿掘进机截割头的工程问题,研究了掘进机截割头的优化设计。以旋转角速度、摆动速度、截齿切削角、截齿倾角作为优化变量,选择合力平均值和切削载荷变化系数作为优化目标。通过正交试验和有限元分析,研究了这些参数对评价指标的影响,并且分析了评价指标随试验因素的变化趋势。将新截割头设计方案与原设计方案相比,优化设计后合力平均值和切削载荷变化系数分别降低了18.3%、5.5%,有效地提高了掘进机截割头的切割性能。研究成果可为掘进机截割头的结构优化设计研究提供依据。     

基于MATLAB与EXCEL联合编程开发掘进机截割头设计新方法

采用Matlab与Excel联合编程开发了纵轴式掘进机截割头辅助设计软件,根据掘进工作面的赋存条件,通过输入截割头必要的运动学参数,便可自动生成对应的截齿排列图、载荷曲线和切削图等,获取截割头形状、叶片头数及截齿排列方式和钻进速度与截割功率、截割比能耗、截割阻力、切削面积之间的参数关系,为截割头设计及优化提供了一种新方法。以EBZ220型掘进机为工程对象,对截割头形状、叶片头数、截齿排布和钻进速度进行设计并选择最优方案,显现了软件的普适性。     

悬臂式掘进机截割头截齿的优化与改进

针对悬臂式掘进机截齿磨损严重、过载停机以及截齿受力不均而被损坏等情况,通过建立截割头和煤岩的3D模型,分析截割头载荷的数学模型,对截割头截齿部分进行受力分析,针对截割头的截齿排列提出合理性方案,使各截齿受到外力差异减小,进而提升掘进机的性能并获取更大的生产价值。     

截割头点制工装设计

悬臂式掘进机作为井下巷道掘进设备,在矿山开采中起着重要作用。截割头是掘进机的重要组成部分,形状、尺寸和截齿的排列方式对掘进机的工作性能有重大影响。截割头结构复杂,装配参数较多,而且这些参数又相互关联和制约,直接影响整机截割的经济效益、可靠性和工作效率。就此对截割头各参数的点制工装设计方法进行了简述。     

掘进机截割头不同截齿间距下掘进效果的分析

掘进机截割头是截割作业的直接接触部件,在截割过程中,截齿间距的不同,造成截齿的受力及寿命不同,引起截割头的振动.对截割头球冠段的截齿间距进行优化设计,采用ABAQUS软件对不同截齿间距的掘进进行仿真分析.结果表明,优化后的截齿间距截齿受力整体有所减小,分布更加均匀,从而可以提高截齿的使用寿命,提高掘进机的工作效率.     

硬岩掘进机截齿承载能力的计算

以硬岩条件下单个截齿受力为基础,分析了掘进机截割头用于截割岩石的载荷大小及其作用形式,并通过截齿截割机构各参数与截齿受力之间的关系模型给出了截齿受力的计算方法。     

部分断面掘进机截割头截割性能研究

截割头是掘进机直接实现截割功能的关键部件,其设计在一定程度上直接决定了整机的性能。采用混凝土制作煤岩,对自制煤岩进行单轴压缩试验,确定其抗压强度和弹性模量。针对掘进机截割煤岩过程的复杂性,以部分断面掘进机截割头为研究对象,基于单轴压缩试验所确定的物理参数,利用动力学有限元软件LS-DYNA建立截割头截割煤岩过程仿真模型,探讨了截齿切削角和旋转角对截割载荷、载荷波动和截割比能耗的影响规律。由仿真结果可知,当截齿的切削角在48°~50°范围,旋转角在12°~16°范围时,截割头的截割能力较佳;将由试验确定的自制煤岩截割力矩时域曲线与仿真结果进行对比,验证了所建立的仿真模型的正确性。上述研究为部分断面掘进机截割头截割性能的改善提供了理论基础,同时为其他类型截割或切削问题的研究提供了理论借鉴。     

掘进机截割头截齿的布置研究

为进一步提升掘进机的掘进效率,降低掘进能耗,保证最终巷道的成型质量,重点对掘进机截割头机器截齿的布置参数进行理论分析,尤其是对截齿截割角度的优化采用数值模拟手段进行分析,主要从单齿截割工况和多齿截割工况下的数值模拟截割头的受力、能耗等因素确定最佳截割角度,为煤矿高效生产奠定基础.     

基于数值分析的掘进机截割结构的研究

通过对掘进机截割头受力状态进行分析,得出“钻进工况下参与截割各截齿受力不同,且截割阻力也呈周期性变化”的结论;通过LS-DYDA仿真不同截齿角度及截线间距条件下截割头钻进工况的截割阻力及截割力矩,得出了“通过对截割头参数优化可有效降低阻力峰值及其波动幅值,增强截割头工作平稳性、可靠性,从而延长了截割头的工作寿命”的结论。     

高压水射流辅助掘进机截齿截割实验研究

高压水射流辅助掘进机截齿破岩能有效降低截齿受力,在分析适合掘进机截割头水射流配置方式的基础上,建立水射流辅助截齿破岩试验台,选定水射流前置式、后置式、中心式三种方式进行辅助破岩实验,分别得到不同水压下的截齿受力减小率和载荷方差,研究表明前置式和中心式射流辅助破岩效果好,后置式射流效果较差,当水压为40MPa时,三种方式截割力分别减少10.97%、13.67%和1.86%,载荷振动都有一定改善。三种截齿中,射流前置式截齿在低水压区出现截割力增长现象;射流中心式截齿旋转密封件易失效,齿尖易磨损;射流后置式截齿截割后,截槽破碎效果最好,可为后一个截齿截割提供便利。     

两种载荷下掘进机截割头转子系统动力学分析

为了研究不同截齿载荷条件下（锐利截齿和磨钝截齿）掘进机截割头和悬臂系统的动力学特性,建立了掘进机截割头-转子-轴承系统的弯扭耦合非线性动力学模型。考虑截割头和转轴之间的花键啮合间隙、滚动轴承接触的非线性因素影响下,推导了掘进机截割头转子系统的动力学微分方程。然后对受到时变载荷下的截割头转子系统动态响应特性进行了分析:在锐利截齿条件下,截割头转子系统在低转速n∈［15,20］时处于混沌和拟周期运动状态,提高转速后系统处于周期运动状态;在截齿磨钝条件下,截割头转子系统的振动明显加剧,混沌运动范围增大,频率幅值波动明显。结果表明：在给定截割煤层硬度、切削厚度等前提下,随着截割转速的升高,系统由混沌运动向周期运动转变。动态分析结果为掘进机的减振和动态设计提供了理论依据。     

基于参数识别的截割头纵向随机振动响应优化

为减小纵轴式掘进机截割头的振动,利用Lagrange方法并结合虚拟激励法推导了该型掘进机的纵向运动微分方程,根据Daubechies小波函数多尺度逼近方法和最小二乘法原理,将掘进机在随机激励作用下系统的时变阻尼和时变刚度用多尺度函数的线性组合表示,从而将时变参数识别问题转化为时不变问题。将识别出的刚度和阻尼值作为初始条件,借助鱼群算法以截割头纵向振动的位移响应为目标函数对参数进行了优化。结果表明：参数优化后截割头纵向振动的位移响应的均值下降了18.3%。为验证优化结果的可靠性,利用ADAMS建立了整机的多刚体动力学模型。仿真结果表明,截割头的位移响应变化与理论计算的结果较接近,从而验证了优化结果的有效性。     

含夹矸煤层条件下采煤机螺旋滚筒工作性能分析与预测

基于Pro/E与EDEM接口技术建立了滚筒与含夹矸煤层耦合模型并进行模拟截割仿真,利用单因素试验法分析了煤岩体物理和力学性质、叶片螺旋升角、截齿排列方式、采煤机牵引速度、滚筒转速对滚筒受载大小、载荷波动情况、截割比能耗、装煤效果的影响趋势。利用遗传算法反传递(GA-BP)网络对螺旋滚筒截割性能及装煤效果预测的最大相对误差分别为3.12%和3.26%。基于Workbench分析了典型工况下不同结构螺旋滚筒所受应力大小及分布情况,确定了不同煤层赋存条件下优先选用的滚筒。基于EDEM的模拟仿真为螺旋滚筒在不同煤层赋存条件下结构参数和运动学参数的优选提供了支撑,基于GA-BP网络的滚筒性能预测为选取、设计高效螺旋滚筒提供了更快速、可靠的技术手段。     

螺旋钻采煤机钻头截齿载荷特性研究

为了研究螺旋钻采煤机钻头上镐型截齿的载荷特性,进而为钻头的设计提供参考依据,采用非线性动力学仿真软件LS-DYNA建立了单齿钻进截割煤岩的有限元模型,利用该模型研究了钻进工况下截齿的受力特点和截齿载荷特性随安装参数的变化规律。研究表明：钻头上截齿的截割工况为半封闭式切削,截齿会承受极大的进给阻力;截齿截割阻力随截割角的增大以二次函数形式减小,随倾斜角的增大以指数函数形式呈现先稳定后急剧增大的趋势;截齿进给阻力与截割角成指数函数关系,与倾斜角成线性关系,随截割角和倾斜角的增大而减小;在避免齿体与煤体干涉条件下,截齿宜选用较大的截割角度;为使钻头截齿拥有良好的截割性能和钻进性能,截齿倾斜角不宜超过30°。      

横轴式铣挖机截齿更换规律与分区特性

以赵家湾隧道铣挖法施工工程为依托,介绍了截齿在铣挖鼓上的排列方式.通过对截齿位置进行编号、分类和现场截齿更换统计,研究了英国和德国铣挖机截齿更换规律和失效位置分区特征,得到两者截齿磨损的差异.最后从截齿的制作工艺、选择与安装、截割等方面提出一些建议,从而提高截齿使用寿命和铣挖机性能.     

FOA-PID控制器在悬臂式掘进机截割头升降控制系统中的应用

为提高悬臂式掘进机截割头升降控制精度,在建立系统数学模型基础上,分别采用FA算法和FOA算法对PID参数进行优化,对FA-PID控制器和FOA-PID控制器控制性能进行仿真分析,并为了验证两种控制器实际控制性能进行了实验研究。得出结论:对于幅值为1 mm 的阶跃信号以及不同频率的正弦信号,FOA-PID控制器响应性能均优于FA-PID控制器;FOA-PID控制器更能满足悬臂式掘进机对于截割头升降控制精度的要求。     

截割头几何因素影响下的巷道表面形貌特征与建模

考虑到纵轴式掘进机截割头运动轨迹直接影响巷道成形表面形貌特征,分析了截割头截割巷道得到的巷道外轮廓的创成机理,运用机器人运动学分析方法确定掘进机截割头在巷道空间坐标系内的坐标,构建截割头截割巷道外轮廓的数学模型;通过数值计算分析截割进给量、截割角度、截割头形状、截割头半径及截割头锥角等参数对截割表面形貌特征的影响规律。研究结果表明：“球冠+圆柱”式截割头截割得到的巷道表面最不平整,“球冠+圆锥+圆柱”式截割头截割得到的巷道表面最为平整;随着截割升降角度和截割进给量的减小、截割头球冠半径和截割头圆锥角的增大,截割得到的巷道平整度提高;截割升降角度越大,越需要对巷道平整度进行精确控制。     

基于NSGA-Ⅲ算法的采煤机滚筒优化设计及系统开发

为了提高采煤机滚筒的工作性能和设计效率,综合考虑采煤机滚筒尺寸约束关系及性能指标,提出了以装煤效率、截割比能耗和载荷波动为优化目标,叶片厚度、叶片螺旋升角、叶片头数、同一截线上的齿数和截齿安装角为优化变量的采煤机滚筒优化模型。采用NSGA-Ⅲ算法对提出的有约束多目标采煤机滚筒优化模型进行寻优,利用MATLAB开发了采煤机滚筒优化设计系统,以某公司截割实验的煤岩参数、工况条件为输入,通过采煤机滚筒优化设计系统得到滚筒最佳设计方案,该滚筒相对于MG500/1130WD采煤机滚筒,装煤能力提高了12.7%、截割比能耗降低了8.0%、载荷波动系数减小了20%。结合CAD技术以及初始图形交换规范（IGES）形成了完整的采煤机滚筒三维虚拟模型。