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煤炭气力输送弧形堵头弯管磨损弱化特性

煤炭学报 2024年

作者：周锋张强田莹高魁东范春永栾亨宣顾颉颖山东科技大学机械电子工程学院

气力输送是散体物料清洁高效输送的重要途径，然而弯管磨损制约着煤炭气力输送工业化应用，其中弯管形状结构是影响磨损的重要因素之一，基于此提出一种具有弧形堵头结构的新型弯管，首先在DN50的管道系统中进行7～11 mm煤炭颗粒气力输... 详细信息

气力输送是散体物料清洁高效输送的重要途径，然而弯管磨损制约着煤炭气力输送工业化应用，其中弯管形状结构是影响磨损的重要因素之一，基于此提出一种具有弧形堵头结构的新型弯管，首先在DN50的管道系统中进行7～11 mm煤炭颗粒气力输送试验，气流速度为20 m/s，供气压力保持0.4 MPa，弧形堵头圆弧角分别为10°、20°、30°和40°，无量纲高度分别为0.4、0.6、0.8、1.0，利用共焦三维形貌仪测量管壁磨损分布及最大磨损深度；其次通过欧拉–拉格朗日双边耦合的计算流体力学与离散元（Computational fluid dynamics–discrete element method，CFD–DEM）方法建立数值模型，通过对最大磨损深度的仿真模拟与试验测量校验数值模型的科学性；最后从磨损分布、磨损峰值、碰撞能量损失等方面研究了弧形堵头对弯管磨损的弱化特性，推演了弧形堵头弱化磨损的最优结构参数判据。结果表明：圆弧角是弧形堵头弱化弯管磨损的主要影响因素，当圆弧角不足20°时堵头无法包含全部磨损中心辐射区域，而当圆弧角超过40°时堵头底面难以被颗粒完全覆盖，上述两种条件下弧形堵头对弯管磨损的弱化作用均受限；盲通弯管磨损峰值及其增长率均低于普通弯管，当圆弧角为30°且无量纲高度为0.8时，磨损中心被分散至侧壁上的多个位置而避免了集中冲击，磨损峰值仅为普通弯管的25.1%；任意圆弧角的碰撞能量损失关于无量纲高度的变化曲线均包含一个提升段与两个平缓段，两个临界点依次代表颗粒开始覆盖堵头底面以及形成稳定堆积的高度。研究成果有利于解决长期存在的弯管磨损顽疾，为煤炭气力输送工业化应用提供理论依据，同时可推广至其他矿物颗粒输送领域。

关键词：气力输送弯管磨损煤炭颗粒弧形堵头磨损峰值碰撞能量损失

井下煤炭运输多环节复杂背景下高精度煤矸识别方法研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：栾亨宣安乐田莹顾颉颖张强陈宏伟付翔胡成军崔志芳陈锐山东科技大学机械电子工程学院山东科技大学智能装备学院中铁十七局集团有限公司太原理工大学矿业工程学院中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司山西新元煤炭有限责任公司新元煤矿上海华能电子商务有限公司

煤矸智能分选是发展煤炭智能绿色开采的关键技术之一。准确识别煤矸石是智能分选的先决条件，如何克服井下复杂环境的影响，已成为影响机器视觉识别效果的现实难题。针对井下煤炭运输系统，构建具有单一、二混合和三混合背景的11类图像... 详细信息

煤矸智能分选是发展煤炭智能绿色开采的关键技术之一。准确识别煤矸石是智能分选的先决条件，如何克服井下复杂环境的影响，已成为影响机器视觉识别效果的现实难题。针对井下煤炭运输系统，构建具有单一、二混合和三混合背景的11类图像数据集，包含水渍、煤粉、碎煤与碎矸石及运输设备部件等背景干扰因素。提出了一种融合多种注意力与残差连接的高精度煤矸智能识别方法，高分辨率阶段使用残差卷积块快速生成高质量标记(token)，后续阶段使用级联的Channel Spatial Swin Transformer Block (CSSTB)进行深层表征学习。为提升模型对背景噪声的抗干扰能力，网络集成全局、通道、空间多种注意力机制，增强特征表达的鲁棒性。CSSTB中利用基于负斜率特性强化稀疏激活的LeakyReLU线性注意力机制建模全局信息，通过卷积注意力机制模块(CBAM)优化模型注意力分布，提升模型泛化能力。此外，考虑到煤、矸石和输送设备零部件的尺度差异，跨阶段使用残差连接以增强多尺度特征的通信和信息流通。研究结果表明：所提模型在单一、二混合和三混合背景上的平均准确度达到95.06%、97.77%和95.65%，相较于基线网络Swin Transformer-Tiny分别提高7.01%、4.83%和1.03%。可视化实验表明，对比模型在水渍、暗光和反光等复杂背景干扰下难以准确区分煤和矸石，而所提出模型能够精准聚焦于煤和矸石的关键特征区域，抗干扰能力强。研究结果为井下原煤运输中的煤矸高效分选提供了理论参考。

关键词：深度学习煤矸识别井下环境注意力机制梯度加权类激活热图

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滚筒采煤机发展历程及关键技术探讨

煤炭工程 2024年第10期56卷 48-63页

作者：张强刘文卓田莹刘峻铭顾颉颖刘春生陈宏伟胡成军陈锐崔志芳山东科技大学机械电子工程学院山东青岛266590 黑龙江科技大学机械工程学院黑龙江哈尔滨150022 中铁十七局集团有限公司山西太原030006 中煤(天津)地下工程智能研究院有限公司天津300120 上海华能电子商务有限公司上海200137 山西新元煤炭有限责任公司山西晋中030600

在全球能源转型与“双碳”目标背景下,采煤行业正经历从传统机械化、自动化向智能化升级的关键阶段。文章详细阐述了国内外滚筒采煤机及其智能化发展历程:国外,以英国安德森公司、德国艾柯夫公司、美国久益公司为代表在采煤机及智能化... 详细信息

在全球能源转型与“双碳”目标背景下,采煤行业正经历从传统机械化、自动化向智能化升级的关键阶段。文章详细阐述了国内外滚筒采煤机及其智能化发展历程:国外,以英国安德森公司、德国艾柯夫公司、美国久益公司为代表在采煤机及智能化方面取得了显著突破,尤其是在记忆截割和远程监控等技术领域;我国滚筒采煤机发展相对较晚,但近年来通过自主创新,在采煤机高端装备和智能化技术方面取得了一定的成果。文章从采煤机智能感知技术、智能控制技术、智能通讯技术以及智能诊断运维技术4个方面介绍了采煤机智能化关键技术,指出高效智能采煤机可靠性保障技术、智能化综采工作面高压供电技术、多源信息融合感知与交互技术、采煤机强人工智能技术、采煤工作面数字孪生技术以及采煤机组机器人化技术是未来采煤机的重要趋势,对我国煤矿智能化建设起到指导作用。

关键词：滚筒采煤机采煤机智能化智能感知技术智能控制技术智能通讯技术智能诊断运维技术

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分离式螺旋钻具截割与输送协同优化研究

煤炭科学技术 2023年第11期51卷 179-189页

作者：张强刘伟张润鑫李宝岐顾颉颖山东科技大学机械电子工程学院山东青岛266000 辽宁工程技术大学机械工程学院辽宁阜新123000

螺旋钻具被广泛应用于矿山开采、探索与安全保障等领域,是矿山设备中的重要组成部分。针对钻具最佳截割转速与输送转速不匹配问题,提出新型分离式钻具结构,实现钻头截割转速与钻杆输送转速独立控制,利用离散元数值模拟与力学分析法分别... 详细信息

螺旋钻具被广泛应用于矿山开采、探索与安全保障等领域,是矿山设备中的重要组成部分。针对钻具最佳截割转速与输送转速不匹配问题,提出新型分离式钻具结构,实现钻头截割转速与钻杆输送转速独立控制,利用离散元数值模拟与力学分析法分别建立钻头截割比能耗与钻杆输送比能耗数学模型,通过多目标优化理论以钻具截割比能耗和输送比能耗之和最小为目标,对钻具截割与输送参数进行协同优化,优化结果表明:钻具截割与输送总装机功率不变条件下,传统钻具截割与输送共用同一个电机具有功率集中优势,钻具在不同工况下均能达到电机额定功率输出,有效提高钻具进给速度增加钻具单位时间的开采效率,而分离式钻具将电机总功率进行拆分,一部分用于钻头截割,一部分用于钻杆输送,两部分相互独立,钻具开采过程中截割电机额定功率输出,而输送电机输出功率根据物料输送需求进行调整,从而导致输送电机一部分功率不能完全发挥处于闲置状态。由于钻具进给速度较低,当钻杆与钻头转动同速时,将会导致钻杆单位时间输送能力高于钻头单位时间截割能力,造成钻杆一部分做工为无效功,造成电机能耗浪费,而分离式钻具能够根据钻头截割能力对钻杆的输送能力进行匹配,避免输送电机做过多无效功从而降低钻具输出比能耗,并随着钻采深度的增加,分离式钻具低输送比能耗优势逐渐体现。通过制作分离式钻具实物模型,利用试验的方法对分离式钻具协同优化性能进行验证,试验结果表明:相同工况下,钻头与钻杆协同优化后拥有更好的开采性能,相比与传统钻具分离式钻具协同优化后进给速度提高了2.98%,截割比能耗降低了5.63%,输送比能耗降低了0.81%。试验验证了分离式钻具协同优化效果的有效性,为钻具绿色开采提供了参考。

关键词：新型螺旋钻具多目标优化协同控制截割钻进

温度-腐蚀面积耦合作用下矿用圆环链冲击特性

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煤炭学报 2018年第10期43卷 2934-2943页

作者：张强顾颉颖曹越超吴泽光刘永凤辽宁工程技术大学机械工程学院辽宁阜新123000 辽宁省煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心辽宁阜新123000 东莞市骏智机电科技有限公司广东东莞523000

为研究温度与腐蚀面积对圆环链冲击特性的影响,建立圆环链腐蚀模型,利用ABAQUS有限元分析软件对圆环链不同区域(Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区)在不同温度、不同腐蚀面积及温度-腐蚀面积耦合作用下的重载启动过程进行仿真研究,并提取启动过程中的冲... 详细信息

为研究温度与腐蚀面积对圆环链冲击特性的影响,建立圆环链腐蚀模型,利用ABAQUS有限元分析软件对圆环链不同区域(Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区)在不同温度、不同腐蚀面积及温度-腐蚀面积耦合作用下的重载启动过程进行仿真研究,并提取启动过程中的冲击特性稳态值,利用MATLAB拟合得到冲击特性与温度及腐蚀面积的关系,并进行实验验证。结果表明:23MnNiCrMo54钢屈服强度随温度升高而下降,重载启动过程中,腐蚀位置位于Ⅲ区的腐蚀链环的最大稳态应力明显高于Ⅰ区、Ⅱ区,且均由较大面积达到屈服状态,并得到不同冲击特性(稳态应力、稳态摩擦耗散能、塑性耗散能、稳态内能)与温度及腐蚀面积的关系函数。

关键词：圆环链温度与腐蚀耦合稳态应力稳态能量曲线拟合

基于小波包与SOM神经网络的截齿磨损状态识别

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煤炭学报 2018年第7期43卷 2077-2083页

作者：张强顾颉颖刘峻铭刘志恒田莹辽宁工程技术大学机械工程学院辽宁阜新123000

为实现采煤机截割过程中截齿磨损状态的实时在线监测,采用声发射传感器对不同磨损程度截齿截割时的声发射信号进行采集,采用小波包分析方法分析声发射信号不同频带能量的变化规律,建立能量值的样本空间,构建基于SOM神经网络的截齿磨损... 详细信息

为实现采煤机截割过程中截齿磨损状态的实时在线监测,采用声发射传感器对不同磨损程度截齿截割时的声发射信号进行采集,采用小波包分析方法分析声发射信号不同频带能量的变化规律,建立能量值的样本空间,构建基于SOM神经网络的截齿磨损识别模型,实现对截齿不同磨损状态的在线监测。通过随机测试实验对截齿磨损状态识别模型进行验证,结果表明,基于小波包分析与SOM神经网络的截齿预测磨损状态识别模型识别精度较高,测试样本识别精度约95%。研究结果为准确识别截齿的磨损状态、提高采煤机的工作效率提供一种重要的技术手段。

关键词：采煤机截齿磨损声发射信号小波包分解 SOM神经网络识别

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不同卸荷工况下岩石钻孔破碎特性研究

应用力学学报 2019年第3期36卷 727-733,767页

作者：张强刘峻铭顾颉颖索江伟辽宁工程技术大学机械工程学院阜新123000

为分析多孔破岩作业中不同钻孔间距及破岩模式对破岩效果的影响,采用ABAQUS数值模拟方法对多孔破岩特性进行了分析,构建了多孔破岩模型,分析了在地应力为10MPa时,最优冲击频率和回转速度;并在相同冲击力、地应力、回转速度、冲击频率条... 详细信息

为分析多孔破岩作业中不同钻孔间距及破岩模式对破岩效果的影响,采用ABAQUS数值模拟方法对多孔破岩特性进行了分析,构建了多孔破岩模型,分析了在地应力为10MPa时,最优冲击频率和回转速度;并在相同冲击力、地应力、回转速度、冲击频率条件下,分别对四种钻孔间距及两种破岩模式进行破岩仿真,分析其破岩特性。研究表明:在初始地应力为10MPa时,最优冲击频率为62Hz,回转速度为255r/min;钻孔间距为二倍钻头直径时破岩能耗最高;同孔距破岩过程中,同步钻进破岩能耗高于异步钻进破岩能耗;钻孔间距和破岩模式均对破岩速度没有太大影响。研究结果为降低破岩能耗、提升破岩效果提供理论基础。

关键词：多孔破岩数值模拟破岩能耗破岩速度破岩效果

基于声发射与D-S证据理论的截齿磨损状态识别

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煤炭科学技术 2020年第5期48卷 120-128页

作者：金铃子曹越操亓元浩余铜柱顾颉颖张强辽宁工程技术大学辽宁阜新123000 兖州煤业股份有限公司山东邹城123000 山东科技大学山东青岛266000

为实现采煤机截割过程中截齿磨损状态的智能化监测,采用声发射信号采集装置对截割4种不同比例煤岩试件的信号进行采集,应用3层小波包分解及重构技术对信号进行处理,并提取特征值作为样本空间,利用D-S证据理论方法对截齿磨损程度进行智... 详细信息

为实现采煤机截割过程中截齿磨损状态的智能化监测,采用声发射信号采集装置对截割4种不同比例煤岩试件的信号进行采集,应用3层小波包分解及重构技术对信号进行处理,并提取特征值作为样本空间,利用D-S证据理论方法对截齿磨损程度进行智能识别。结果表明:12.5~25.0 kHz频段和37.5~50.0 kHz频段内能量集中,且能量随截齿磨损程度的增加而减小,因此选取上述2个频段能量占总能量的比值作为特征值,在4种工况的证据体联合作用下,截齿磨损状态智能识别精度达到约90%。此方法可为准确掌握截齿磨损状态,确定截齿更换周期,提高采煤机的截割效率,实现井下智能化开采提供基础。

关键词：采煤机智能化截齿磨损声发射信号小波包煤岩识别

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基于多特征信息融合的截齿磨损程度识别研究

电子测量与仪器学报 2017年第12期31卷 1974-1983页

作者：张强刘志恒王海舰顾颉颖田莹仲丛华辽宁工程技术大学机械工程学院阜新123000 煤炭资源安全开采与洁净利用工程研究中心阜新123000 重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 桂林电子科技大学机电工程学院桂林541004 长春理工大学光电信息学院长春130012

为实现截割过程中截齿磨损程度的在线监测和精准识别,提出一种基于多特征信息融合的采煤机截齿磨损程度识别方法。针对不同磨损程度截齿截割过程中的振动和声发射信号进行时域分析和小波包分析;针对两相邻磨损程度截齿的特征样本存在数... 详细信息

为实现截割过程中截齿磨损程度的在线监测和精准识别,提出一种基于多特征信息融合的采煤机截齿磨损程度识别方法。针对不同磨损程度截齿截割过程中的振动和声发射信号进行时域分析和小波包分析;针对两相邻磨损程度截齿的特征样本存在数据交集,增加系统识别难度的问题,构建最小模糊度优化模型并计算各特征参数的最优模糊隶属度函数,获取特征样本的最大隶属度。运用多特征数据样本对BP(back-propagation)神经网络识别模型进行学习和训练。实验结果表明,截齿磨损程度识别模型的判别结果和样本实际磨损类别相符,能够实现对截齿磨损程度的在线监测和精准识别。研究结果对于实际工程中截齿的监测和更换具有重要意义。

关键词：截齿磨损程度 BP神经网络模糊隶属度振动信号声发射信号