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。     

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。     

考虑截齿损耗的多传感信息融合煤岩界面感知识别

为了实现采煤机开采过程中煤岩界面的精准识别,提出一种基于多传感信息融合的煤岩界面感知识别方法。考虑截齿损耗对采煤机截割特征信号的影响,测试采煤机截齿处于新齿、轻微磨损、一般磨损以及严重磨损4种状态下,截割不同比例煤岩过程中的振动信号、电流信号、声发射信号以及红外闪温信号,建立截齿不同磨损程度下的多截割信号特征样本库。根据相邻截煤比各截割特征信号的模糊特征,以最小模糊熵为优化目标,采用自适应权重粒子群算法优化求解各截割特征信号的隶属度函数。构建基于D-S理论的"与"决策准则,实现对煤岩界面的精准识别。通过分析截煤比识别结果信度值的分布特征及趋向性,确定截煤比识别结果在不同截煤比的信度值与实际煤岩比例的匹配关系,利用识别结果的信度值对煤岩轨迹进行进一步的优化。根据实验结果可以得到:(1)截齿磨损程度对煤岩各截割特征信号的变化影响显著,截齿不同磨损程度下各截割特征信号的最优隶属度函数呈现动态变化;(2)煤岩界面轨迹的识别结果逼近具有最大信度的截煤比,且对于次大信度截煤比具有一定程度的趋向性;(3)基于单一优化隶属度函数进行隶属度求解及融合识别,煤岩界面识别精度随着截齿损耗的加剧大幅度下降,最大下降幅度达到43.04%;(4)考虑截齿损耗的多传感信息融合识别模型克服了截齿损耗对信号的误差影响,对煤岩界面具有更高的识别精度,识别误差浮动在1.54%范围内。     

纵轴式掘进机截割机构结构静力学分析

为研究半煤岩掘进机截割机构在截割载荷作用下的应力应变特性,基于EBZ-75型掘进机,对掘进工作载荷模型进行了计算,并应用ANSYS软件进行静力学分析。分析表明,截割机构最大应力为325 MPa,发生在升降油缸销轴孔处;最大变形量位于截割头前端且变形量为2.6 mm,为半煤岩掘进机截割结构的改进设计提供了理论参考。     

基于截齿振动及温度特性的煤岩识别研究

为实现采煤机截割过程中煤岩界面的精准识别,选取截割过程中截齿的振动信号和红外热像信号作为煤岩识别的特征信号,针对截割过程中截齿x、y、z三个方向的振动加速度信号、振动频谱图、齿尖红外闪温值和温度-频数图像进行实时采集,研究截齿振动信号、红外热像信号与不同煤岩比例试件之间的变化规律。研究结果表明:随着试件中岩石比例的增大,截齿振动加速度均值逐渐上升,频谱图对应的均方根值逐渐增大;截割试件过程中截齿齿尖产生点状闪温区,截割全岩试件时最高闪温值与高温区范围远大于截割全煤试件,温度-频数图像中最高温度所对应的频数逐渐上升。BP(Back-Propagation)神经网络的识别结果和测试样本的实际煤岩比例相符,能够对截割试件的煤岩比例进行准确识别,研究结果可为实现煤岩界面的精准识别提供重要的方法和手段。     

煤岩界面识别物理模拟测试系统研究

采煤机滚筒在截割煤岩的过程中,随着截割介质的变化,滚筒的截割状态也发生变化,监测这些参数变化,可实现截割过程煤岩界面识别。建立了采煤机煤岩界面识别物理模拟系统,包括介质模拟和采煤机牵引-截割机构的模拟,研制了试验控制系统。     

掘进机截割头载荷模拟研究

列述了煤岩的断裂机理及力学性能,分析了煤岩性质对截割头载荷的影响。依据常用的理论公式,编制计算程序,模拟了纵轴式截割头横摆工况下煤岩的载荷。分析结果表明:截割头沿三个坐标轴方向所受的力呈无规律波动状态;三向力及截割功率的最大值随煤层的坚固性系数的增大而线性增大;截割一定坚固性系数煤岩,所得的截割功率最大值可用于初步确定掘进机的适用范围。     

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。     

基于应变模态的采煤机摇臂振动特性及实验研究

为解决采煤机截割煤岩过程中摇臂在重载、强冲击下容易损坏的问题，以MG500/1130-WD型采煤机为研究对象，提出一种基于应变模态的采煤机摇臂振动特性辨识方法。利用Block Lanczos方法对摇臂壳体进行模态分析，获得采煤机摇臂前10阶固有频率，分析摇臂壳体与传动系统的2阶模态共振特性。根据实际截割工况，通过EDEM模拟获得截割滚筒三向截割载荷及三向截割阻力矩，使用ADAMS、EDEM、ANSYS对摇臂进行刚柔耦合动力学联合仿真，得到摇臂2阶应变模态固有频率为63.98 Hz,搭建摇臂应变数据采集系统，面向摇臂关键截面的应变响应进行截割实验，并对采集数据进行时域与频域分析。研究表明：应变模态分析与联合仿真所得摇臂2阶固有频率误差为0.52%,摇臂前2阶固有频率的模态分析与实验误差小于5%。应变模态分析方法可有效识别采煤机摇臂低阶固有频率和低频激励，为采煤机摇臂的振动研究提供新思路。     

煤岩截割试验台的发展与应用

介绍国内外现有的煤岩截割试验装置及研究成果。在实验室环境中,利用截割实验装置能够准确测定不同截割条件下,截齿的工作载荷、可吸入粉尘量等指标,达到相关截割参数合理匹配的目的。为截割装置设计和性能预测提供了研究基础。     

基于ANSYS的掘进机截割部动态特性可靠度分析

掘进机的截割部在复杂多变的煤岩地质条件下工作,其工作过程中截割头与坚硬的煤岩碰撞,受到冲击载荷,容易出现疲劳损伤导致截齿断裂,影响截割部的工作效能,通过有限元软件ANSYS对截割部的动态特性进行研究,揭示了截割部在工作过程中的振型结构特性,同时采取重点部位细化网格以及非重点部位粗化网格的混合计算方式,保证了可靠度分析结果的准确性。     

采煤机工作面截割试验分析

由于当前针对采煤机的有关研究中,缺乏来自工作面现场的截割载荷研究。因而从分析螺旋滚筒主要截割载荷的角度,对具有记忆截割功能的采煤机在人工示教截割试验阶段拾取的截割电流和牵引转矩信号及螺旋滚筒主要截割载荷进行了分析。对采煤机螺旋滚筒截割含有不同煤岩界面煤层时载荷特征地分析表明：采煤机截割力响应信号的均值特征能真实反映截割介质的本质差别;采煤机实际工作过程中,在各典型截割工况下,螺旋滚筒截割力响应信号服从正态分布,且在正常截割工况下,截割力响应信号的方差最小,即截割力响应信号的波动最小;滚筒高度和截割状态持续时间可用于滚筒截割状态的精确识别;截割功率约占总消耗功率的70%。     

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...     

基于红外热像的夹矸巷道断面记忆截割试验研究

夹矸煤巷掘进过程中,截割夹矸会引起载荷突变,导致截齿严重磨损与机体剧烈振动,进而增加悬臂式掘进机的故障率,降低其使用寿命。为保证夹矸巷道断面截割平稳性,提高掘进设备服役可靠性,提出"红外热像+记忆截割"的掘进机避矸截割策略。考虑截齿磨损特征,分别对未磨损及存在磨损截齿截割热封闭系统进行解析,建立截割产热与煤岩强度数学关系模型,证明采用非连续截割温升判断煤岩强度合理性;对不同配比岩样进行摆进截割试验并获取截割红外热像及温度信号,分析稳定阶段截割温度随煤岩强度的变化规律,验证基于截割温升区分巷道断面的夹矸的可行性;以掘进机截割试验台为基础,以上一轮截割获取的红外热像及截割温度信号为依据,以避开大块矸石为目标,研究基于红外热像的夹矸断面记忆截割过程。研究结果表明:与未磨损截齿相比,存在磨损截齿截割产热包含煤岩受截齿挤压剪切产热、煤岩与截齿前刀面的摩擦产热、煤岩与截齿后刀面的摩擦产热,截割温升总量与煤岩强度成呈正相关关系;随着岩样强度的增大,平均截割温度,最高截割温度及平均截割温度变化幅值均呈现增大趋势,证明了采用红外热像识别巷道断面夹矸可行性;截割头截割夹矸位置时,红外热像特征及截割温度变化...     

基于采煤机摇臂惰轮轴受力分析的综合煤岩识别方法

提高采煤自动化、无人化程度的关键在于提高采煤机对煤炭和岩石的识别能力,在记忆截割的基础上,采用灰色预测理论,提出了1种基于滚筒采煤机摇臂惰轮轴受力分析的综合煤岩识别方法,通过实时检测采煤机在截割不同介质时的惰轮轴受力,并根据惰轮轴受力建立采煤机截割路线智能预测系统,实时修正截割路线,提高了采煤机的追踪适应能力。该方法在中煤张家口煤机厂实验平台上进行截割实验验证,结果表明：采煤机割岩时受力比割煤时平均受力大19.45%,能够很好的对煤岩界面进行识别。     

滚筒采煤机截割载荷的模拟系统开发及其模拟

为解决因采煤机螺旋滚筒截割载荷计算难、导致滚筒设计缺少依据、产品质量低、截割性能差的实际问题,在给出滚筒截割载荷确定方法的基础上,基于Matlab/GUI开发了采煤机螺旋滚筒截割载荷的模拟系统。该系统采用Matlab/GUI界面,利用Matlab软件为平台,通过输入不同的滚筒及采煤机参数和煤岩的特性参数,可模拟采煤机截割各种对象、以各运动参数工作时滚筒的截割载荷,并能直观显示各载荷的图形、数据和统计结果。该系统具有数据与程序分离、操作简便、适应性强等特点,能快速、准确地获取滚筒的截割载荷。以国产某型薄煤层采煤机为例,对其滚筒截割载荷进行了模拟分析,得出了前、后滚筒三向载荷和负载扭矩曲线及统计结果,搞清了该采煤机截割载荷的大小、变化规律及其相关关系,为改进滚筒设计、研究、评价和改善采煤机的截割性能提供了参考。     

基于采煤机摇臂销轴多应变数据融合的煤岩识别方法

煤岩识别是实现采煤机滚筒高度自动调节的关键技术,可靠的煤岩识别系统在提高生产效益、减轻设备磨损、保障工人安全等方面具有突出的优点。目前煤岩界面主要依据人工或者单一传感器监测进行识别,所以识别的结果不准确,具有一定的误差;因此,提出一种基于数据融合理论的多传感器煤岩识别方法;该方法以煤岩在硬度上的差异为基础,以采煤机摇臂销轴为研究对象,在摇臂与连接架销轴处布置4个经过等效强度处理的销轴传感器,采集采煤机截割不同硬度煤壁与岩壁时销轴的应变数据,对采集到的数据通过加权融合理论进行系数分配、融合,获得多传感数据融合的组合判据,利用组合判据对煤岩分界面进行识别。实验结果表明,销轴传感器采集到的应变数据在截割煤和岩时波动较大,且割煤应变数据和割岩应变数据有重叠部分,很难精准的实现煤岩界面的识别;通过数据融合方法处理后的应变数据波动较小;利用拟合公式对应变数据标定,得到销轴传感器所受的载荷值:截割岩时销轴受力范围为24. 766～25. 467 kN,截割煤时销轴受力范围为23. 493～24. 348 kN;与单一传感器测量相比,差异明显,没有重合部分;因此,可以采用这种方法在实际的生产工作中标定截割煤和岩时销轴受力的期望值范围,以此期望值范围的差异作为采煤机煤岩界面识别的依据。     

掘进机截割臂动态载荷识别

为了探究掘进机载荷内在的统计规律,对EBZ260TY型掘进机截割假岩壁进行实测与分析。通过识别掘进机截割臂右侧与截割臂上侧的载荷应力,运用一维载荷谱的编制理论,准确获取掘进机截割臂载荷变化规律,对掘进机的结构改进和优化具有参考价值。     

基于振动信号的采煤机煤岩截割状态识别

为了准确识别采煤机截割状态,提出了一种基于小波包分解和学习向量量化(LVQ)神经网络的模式识别方法。将振动信号进行小波包分解,实现振动信号的预处理,得到若干个子频带。在此基础上,计算各个频带的方差,并将其作为特征向量。然后将计算得到的频带方差作为特征向量,输入到LVQ神经网络进行采煤机煤岩截割状态识别。通过实验验证了该方法的有效性,实验结果表明:该方法能够实现采煤机典型煤岩截割状态的识别,平均识别准确率较高,对实现综采工作面的"无人化"具有重要意义。