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掘进机黏性渣土结泥饼机制及聚合物改良研究

隧道建设（中英文） 2022年第10期42卷 1746-1754页

作者：何纯豪钟小春竺维彬李永运陈洁河海大学土木与交通学院江苏南京210098 广州地铁集团有限公司广东广州510330 中国中铁四局集团第二工程有限公司江苏苏州215131

针对掘进机在黏性地层中施工刀盘结泥饼的问题,以无锡地铁4号线某矩形顶管工程为例,通过添加不同质量的聚合物对不同含水率的渣土进行改良,测试改良前后渣土的黏附强度、不排水抗剪强度及高温环境下渣土的保水能力,并通过液塑限变化分... 详细信息

针对掘进机在黏性地层中施工刀盘结泥饼的问题,以无锡地铁4号线某矩形顶管工程为例,通过添加不同质量的聚合物对不同含水率的渣土进行改良,测试改良前后渣土的黏附强度、不排水抗剪强度及高温环境下渣土的保水能力,并通过液塑限变化分析渣土改良的机制,借助泥饼形成风险分区图评估泥饼形成的风险与改良效果。研究表明:1)添加聚合物和水对渣土黏附强度有一定影响,增大含水率能显著降低渣土的黏附强度,当渣土含水率为35%~45%时,添加聚合物能有效降低渣土的黏附强度;2)含水率的增大会降低渣土的不排水抗剪强度,而添加聚合物能有效增强渣土的不排水抗剪强度,当添胶比达到0.15%后增强效果显著;3)聚合物能提高渣土的液限和保水能力,保证渣土的流塑性满足施工需要;4)结合泥饼形成风险分区图,比较渣土-金属界面的黏附强度和渣土的不排水抗剪强度,可以综合判断黏性渣土结泥饼的风险和改良效果。

关键词：掘进机黏性渣土结泥饼渣土改良聚合物

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掘进机截齿振动疲劳寿命预估与参数优化

机械传动 2024年第5期48卷 1-9页

作者：何洋李晓豁席亚兵辽宁工业大学汽车与交通工程学院辽宁锦州121000 广东文理职业学院机电工程系广东湛江524400 三一重型装备有限公司研究院辽宁沈阳110020

为了确定掘进机截齿的振动疲劳寿命和影响因素,根据截齿的力学模型,建立其动力学方程,计算加速度响应谱,并将其作为截齿振动的激励;依据Miner疲劳损伤原理,借助Workbench对其有限元模型进行模态分析、随机振动分析、响应谱分析,获取截... 详细信息

为了确定掘进机截齿的振动疲劳寿命和影响因素,根据截齿的力学模型,建立其动力学方程,计算加速度响应谱,并将其作为截齿振动的激励;依据Miner疲劳损伤原理,借助Workbench对其有限元模型进行模态分析、随机振动分析、响应谱分析,获取截齿的振动应力云图,确定其应力范围为(2.713 2×10~6)~(1.703 5×10~(10))Pa;将分析数据导入nCode模块中分析截齿的振动疲劳寿命,发现位于锥面区域截齿寿命最长,圆弧区其次,柱面区域最低。针对柱面区域振动疲劳寿命较低的截齿,采用粒子群多目标优化算法,以截齿转角为优化目标,获得了最优转角值,可使该区域截齿振动寿命提高一个数量级。最后,通过截齿载荷灵敏度分析,确定载荷频率变化是影响截齿疲劳寿命的重要因素。所得结论对于优化截齿排列图、提高掘进机截齿使用寿命具有重要参考意义。

关键词：掘进机截齿疲劳振动

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掘进机姿态调整模型辨识方法与精准控制

西安交通大学学报 2021年第6期55卷 9-17页

作者：张敏骏吉晓冬李旭瞿圆媛吴淼清华大学机械工程系北京100084 中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083 天地科技股份有限公司北京100013 煤炭科学研究总院储装技术研究分院北京100013

针对因掘进机姿态控制精度较差导致巷道掘进轨迹偏离进而影响煤矿生产安全与效率的问题,提出了一种基于粒子群算法的掘进机姿态调整控制模型辨识方法及模糊神经网络PID姿态控制方法。首先分析了掘进机姿态角误差与巷道断面之间关系,基... 详细信息

针对因掘进机姿态控制精度较差导致巷道掘进轨迹偏离进而影响煤矿生产安全与效率的问题,提出了一种基于粒子群算法的掘进机姿态调整控制模型辨识方法及模糊神经网络PID姿态控制方法。首先分析了掘进机姿态角误差与巷道断面之间关系,基于姿态运动学与液压模型确定了姿态控制系统传递函数结构,通过粒子群算法的寻优特性与输入输出信号的响应对传递函数参数进行拟合进而实现辨识。仿真结果表明,与采用最小二乘和遗传算法的辨识方法相比,所提采用粒子群算法的模型辨识方法的辨识精度分别提高了96.75%和95.15%。此外,利用模糊控制的强非线性适应性与神经网络的自学习能力设计了姿态调整的PID控制系统。搭建了EBZ-55型掘进机俯仰角控制试验平台,并在不同的试验工况下进行了多组俯仰角控制试验。试验结果表明,基于粒子群模型辨识方法的模糊神经网络PID控制方法比模糊PID控制方法最多可降低57.1%的超调误差以及53.5%的响应时间,并能稳定实现1°以内的姿态角控制。该方法可为掘进机及大型液压设备的姿态控制提供有效的技术支撑与参考。

关键词：掘进机姿态调整粒子群算法模型辨识模糊神经网络控制

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掘进机双向耦合建模截割参数优化研究

煤炭工程 2023年第8期55卷 170-175页

作者：顾文杰晋能控股煤业集团马道头煤业有限责任公司山西大同037003

针对掘进机的截割参数优化问题,利用离散元法-多体动力学(DEM-MBD)双向耦合技术,基于数值模拟、多目标优化方法,以某型号掘进机截割机构为工程对象,联合Pro/E、EDEM和RecurDyn建立掘进机截割过程的DEM-MBD双向耦合仿真模型,探究不同工... 详细信息

针对掘进机的截割参数优化问题,利用离散元法-多体动力学(DEM-MBD)双向耦合技术,基于数值模拟、多目标优化方法,以某型号掘进机截割机构为工程对象,联合Pro/E、EDEM和RecurDyn建立掘进机截割过程的DEM-MBD双向耦合仿真模型,探究不同工况对截割头受载情况及截割性能的影响,利用Design Expert中的Box-Bohnken试验法设计三因素三水平响应面回归试验,以截割比能耗、载荷均值、载荷波动系数为截割性能评价指标,通过主成分法将三维目标降维至截割综合评价度一维寻优模型,结果表明:当横摆速度为1.270 m/min、转速范围为44.158 r/min、垂直摆角为12.232°,此时截割综合评价度达0.903。

关键词：掘进机双向耦合数值模拟响应面法

基于惯导/全站仪组合的掘进机自主定位定向方法

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煤炭科学技术 2022年第8期50卷 189-195页

作者：马宏伟毛金根毛清华张旭辉刘博兴西安科技大学机械工程学院陕西西安710054 陕西省矿山机电装备智能检测与控制重点实验室陕西西安710054

针对目前煤矿井下掘进机定位定向不准确、自动化程度低等问题,提出了一种基于光纤惯导与数字全站仪组合的掘进机自主定位定向方法。通过分析光纤惯导与数字全站仪的组合定位定向原理,建立了光纤惯导和数字全站仪的误差模型和组合定位定... 详细信息

针对目前煤矿井下掘进机定位定向不准确、自动化程度低等问题,提出了一种基于光纤惯导与数字全站仪组合的掘进机自主定位定向方法。通过分析光纤惯导与数字全站仪的组合定位定向原理,建立了光纤惯导和数字全站仪的误差模型和组合定位定向系统的状态方程和量测方程,运用卡尔曼滤波器对组合定位定向系统的状态量与量测量进行预测估计,并考虑数字全站仪的定位精度对融合效果的影响,得到掘进机自主定位定向的融合信息。搭建了掘进机定位定向试验平台,通过运用惯导与全站仪组合的自主定位定向方法对模拟在巷道中线行走的掘进机进行了定位定向试验。试验结果表明:根据数字全站仪定位精度确定量测噪声方差R时,组合定位定向精度最高,其中x轴方向定位最大误差为0.03 m,y轴方向定位最大误差为0.02 m,航向角、俯仰角和横滚角定向误差小于0.005°,能够满足煤矿井下掘进机定位定向技术要求,解决了光纤惯导姿态角累计误差和位置发散问题,实现了掘进机的精确自主定位定向,为煤矿井下掘进工作面的智能化发展奠定良好的基础。

关键词：掘进机光纤惯导数字全站仪定位定向卡尔曼滤波

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掘进机转盘轴承螺栓连接可靠性试验

轴承 2023年第5期 52-56页

作者：胡方海王秀梅三一重型装备有限公司沈阳110027 沈阳职业技术学院沈阳110045

转盘轴承作为掘进机的重要部件,其连接可靠性直接影响设备整体性能及施工效率。通过对掘进机转盘轴承螺栓断裂状态及裂纹变化趋势的分析认为螺栓松动而无法为被连接件提供有效的预紧力,在掘进机截割过程产生的交变作用力下发生疲劳断裂... 详细信息

转盘轴承作为掘进机的重要部件,其连接可靠性直接影响设备整体性能及施工效率。通过对掘进机转盘轴承螺栓断裂状态及裂纹变化趋势的分析认为螺栓松动而无法为被连接件提供有效的预紧力,在掘进机截割过程产生的交变作用力下发生疲劳断裂是螺栓断裂的原因。采用试验的方式,分别从螺栓应变、螺栓预紧力矩以及拧紧工艺等方面对转盘轴承螺栓的拧紧过程进行详细的分析,并根据故障原因给出了提高拧紧力矩,实行快速拧紧和采用施必牢螺纹的解决方案,彻底解决了转盘轴承螺栓断裂问题。

关键词：滚动轴承转盘轴承掘进机螺栓断裂预紧力矩

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掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置的研制与实验

煤炭学报 2019年第10期44卷 3233-3240页

作者：陈景序荆德吉葛少成马恒孙丽英辽宁工程技术大学安全科学与工程学院辽宁阜新123000 矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室辽宁阜新123000 太原理工大学安全与应急管理工程学院山西太原030000

为有效控制由掘进机截割头旋转破碎引发的粉尘污染,基于高压喷雾在涡旋气体射流场中的运动规律及二次雾化破碎特性,研制了一种可以阻隔工作区域高质量浓度粉尘迁移扩散的新型掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置。绘制了包含掘进系统的气动涡... 详细信息

为有效控制由掘进机截割头旋转破碎引发的粉尘污染,基于高压喷雾在涡旋气体射流场中的运动规律及二次雾化破碎特性,研制了一种可以阻隔工作区域高质量浓度粉尘迁移扩散的新型掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置。绘制了包含掘进系统的气动涡旋雾幕控尘装置的比例模型,并通过利用CFD数值模拟软件获得该型设备外部风流场迁移规律和液滴粒子运动规律,以模拟结果为理论基础建立实验平台,并对设备的雾化性能及控尘性能进行了实验测定。模拟结果表明:在环状风筒前端形成了完整旋转风幕,外环高压喷雾受内环高速旋转风流冲击,加剧了液滴的破碎、迁移扩散与捕尘性能。雾化性能实验结果表明:该型设备雾化性能主要由气体射流与高压喷雾的相间速度差决定,喷雾夹角为45°~75°,相间速度差较大,气相射流风速对雾化性能影响占主导地位;喷雾夹角大于75°时,相间干涉减小,喷雾压力占主导地位;随着沿流向方向的距离增大,风速快速衰减,液滴运动趋于稳定。控尘性能实验研究结果表明:当喷雾压力、喷雾夹角不变的情况下,单独提高引射射流风速时,涡旋雾幕前方粉尘捕集较差,全尘和呼尘平均捕集率分别为21.21%和26.24%;而雾幕后方,不同风速下的全尘捕集率分别为84.98%,87.88%和90.70%,呼吸性粉尘捕集率为83.89%,87.87%和88.71%,照比传统高压喷雾表现出更好的控尘性能。

关键词：掘进机雾化冲击射流涡旋气动雾幕装置除尘性能

岩土松散体内开挖救援通道的套筒式螺旋驱动掘进机自行进功能研究

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现代隧道技术 2023年第1期60卷 256-261页

作者：卢清国马少军姚文杰张鹏北京工业大学建筑工程学院北京100124 北京市市政一建设工程有限责任公司北京100083 中建八局轨道交通建设有限公司南京210046

在发生山体滑坡或泥石流、隧道塌方、地震等地质灾害的岩土松散介质中快速、高效、及时地开挖救援通道到达有人员被困(埋)地点是抢险救援的首要任务。文章介绍一种新型的依赖多根平行装设于圆筒式掘进机外周的长螺旋体旋转,驱动整个掘... 详细信息

在发生山体滑坡或泥石流、隧道塌方、地震等地质灾害的岩土松散介质中快速、高效、及时地开挖救援通道到达有人员被困(埋)地点是抢险救援的首要任务。文章介绍一种新型的依赖多根平行装设于圆筒式掘进机外周的长螺旋体旋转,驱动整个掘进机在岩土松散体内自主穿行开挖救援通道的掘进技术和装备,分析了掘进机的机构构成和自主前行动作机理,推导了套筒式螺旋驱动掘进机自主前行的条件。利用室内试验得到的螺旋齿高、齿根距和牙型角各参数的合理数值,研制了螺旋驱动套筒式试验样机。现场试验中,样机在松散土体内自主前行了10 m距离,证明了掘进机利用螺旋驱动原理在松散岩土类介质中自主前行开挖救援通道的可行性,为类似灾害事故中抢救被困人员的救援通道施工提供了安全、快速的施工技术和装备。

关键词：螺旋驱动套筒式结构自主前行掘进机救援通道

掘进机截割岩层硬度识别方法及截割头转速控制系统研究

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掘进机截割岩层硬度识别方法及截割头转速控制系统研究

作者：张飞飞辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

在煤矿巷道掘进工作中,掘进机受到的冲击载荷较大,截割臂振动较为剧烈。工人观察截割臂的振动状态判断岩层硬度,调节截割速度,以降低对掘进机的冲击。但通过观察很难对岩层硬度进行准确的区分,这样不仅会导致安全隐患的产生,而且会大大... 详细信息

在煤矿巷道掘进工作中,掘进机受到的冲击载荷较大,截割臂振动较为剧烈。工人观察截割臂的振动状态判断岩层硬度,调节截割速度,以降低对掘进机的冲击。但通过观察很难对岩层硬度进行准确的区分,这样不仅会导致安全隐患的产生,而且会大大降低掘进机的工作寿命。因此,截割岩层硬度识别技术及截割头转速控制系统的研究对于延长掘进机工作寿命非常重要,是实现掘进工作面高效掘进的关键。针对掘进机截割臂振动信号特征提取难度大的问题,基于小波包奇异值分解,采用Relief过滤式特征选择方法进行特征选取,以各阶奇异值的信息增益作为评价指标,来衡量前n阶奇异值选取方法和Relief过滤式特征选择方法的优劣。实验结果表明,在特征个数n取3 104时,的曲线均落在第一象限,尤其在特征个数n取3 20时,的曲线离坐标轴较远。因此,采用Relief过滤式特征选择方法优于前n阶奇异值选取方法。为解决概率神经网络隐含层神经元中心初始原型向量的选取敏感性的问题,提出基于样本点分布密度的初始原型向量选取策略。根据神经网络结构参数分析实验得到特征向量维度(输入层神经元节点数)和最优平滑因子。实验结果表明,特征向量维度(输入层神经元节点数)为10,平滑因子σ为0.046时,PNN及相关改进的PNN具有较高的识别准确率。对比实验表明,PNN、K-means PNN、LVQ-PNN和LOF-LVQ-PNN神对400个测试样本的识别率分别为76.2%、80.8%、84.1%和93.6%;对400个训练样本的识别率分别为83.1%、89.6%、92.9%和97.8%。因此,改进的LOF-LVQ-PNN在掘进机截割岩层硬度识别中有更高的识别准确率。在AMESIM和Simulink中建立截割头转速控制系统联合仿真模型,把阶跃信号、方波信号和正弦信号作为系统输入,仿真结果表明,模糊PID相比于普通PID有着更好的动态特性。把转速突变幅度分别为30rev/min、60rev/min、90rev/min和120rev/min的输入信号(不同突变幅度的阶跃信号)作为系统输入,研究不同转速突变幅度对系统动态性能影响的规律,仿真结果表明,在对截割头转速控制中,转速信号突变的幅度越小,模糊PID控制器的响应速度越快,达到峰值所用的时间越短;且转速信号突变的幅度越小,系统的超调量越小,达到稳态所需的时间越短;系统的稳态误差基本不发生变化,但在系统加速时的稳态误差均小于系统减速时的稳态误差。该论文有图72幅,表20个,参考文献88篇。

关键词：矿山机械掘进机截割头模糊PID 神经网络岩层硬度识别