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采煤机截割含硬结核煤岩综合性能研究

采煤机截割含硬结核煤岩综合性能研究

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作者：李相龙辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

由于薄煤层采煤机作业空间狭小、地质构造复杂,且在均质煤岩中硬结核和煤的物理机械性能存在着较大的突变性,导致滚筒载荷冲击剧烈、截齿失效或折断、截割比能耗上升以及装煤效率低下等一系列问题。这除与地质条件复杂有关外,更与滚筒... 详细信息

由于薄煤层采煤机作业空间狭小、地质构造复杂,且在均质煤岩中硬结核和煤的物理机械性能存在着较大的突变性,导致滚筒载荷冲击剧烈、截齿失效或折断、截割比能耗上升以及装煤效率低下等一系列问题。这除与地质条件复杂有关外,更与滚筒运动学参数的匹配与截割位置有关。以目标矿区MG2×55/250-BWD型号在役的采煤机截割部为原型,采用UG建立了采煤机滚筒、摇臂以及煤壁空间机械三维模型,基于离散元理论,在EDEM中采用先分层后黏结颗粒的方法建立了煤与硬结核的黏结模型,完成了含硬结核煤壁离散元模型的搭建。设置了滚筒、截齿的运动学参数,对螺旋滚筒端盘截齿进行离散元仿真,研究了滚筒的受载特性、装煤特性及能耗特性。基于破煤理论编制了采煤机截割硬结核煤岩的载荷程序,将仿真载荷数据与Matlab载荷程序理论计算所得到的力及力矩进行对比,最大误差率分别为2.46%及2.59%。基于相似理论,搭建单齿截割实验台,将仿真载荷数据与实验所得数据相比于仿真的最大误差率为6.81%≤7%,理论和实验均验证了EDEM仿真的准确性。基于离散元与有限元分析相结合的方法,通过EDEM Add-In for Workbench接口,将EDEM模型以及后处理得到的载荷数据等结果导入workbench平台,对滚筒网格划分,并进行了静力学分析,得到滚筒与截齿的应力分布云图。分别以筒毂1-3截线、2-4截线、3-5截线、4-6截线以及5-7截线截齿截割硬结核这五种情况为例,综合考虑牵引速度和滚筒转速,基于均匀设计理论,设计了13种典型工况,研究了BP神经网络的构建方法,得到了预测误差仅为5.57%的高精度神经网络。分析不同硬结核作用位置、牵引速度及转速对装煤率、载荷峰值、截割比能耗、应力峰值与载荷波动系数的影响规律,并通过Matlab对数据进行曲面拟合,得到装煤率、载荷峰值、截割比能耗、应力峰值与载荷波动系数的数学模型与拟合公式。采用函数评价法,以牵引速度、转速与硬结核位置为设计变量,以装煤率、载荷峰值、截割比能耗、应力峰值与载荷波动系数为目标,建立优化函数,通过粒子群优化算法对目标函数进行结果寻优。结果表明:当硬结核位于滚筒1-3截线位置、滚筒转速71.3r/min、牵引速度为3.58m/min时,滚筒达到最优截割,此时的装煤率为35.287%;采煤机滚筒的载荷峰值为112.4k N;截割比能耗为1.377k W·h/m,载荷波动系数为1.0135,应力峰值为1296.704MPa。这种通过调整采煤机运动学参数与截割位置参数来改善滚筒综合性能的措施,为降低能耗、载荷波动性、应力、提升滚筒性能与装煤效果提供一种新的方法和手段,同时也为含硬结核煤层智能开采相关控制策略的研究奠定了理论基础。该论文图70幅,表14个,参考文献78篇。

关键词：硬结核运动学参数装煤率截割比能耗多目标优化综合性能

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螺旋滚筒破落含硬结核煤层应力变化规律研究

螺旋滚筒破落含硬结核煤层应力变化规律研究

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作者：李泓晔辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

我国煤炭资源在能源消耗中占主体地位且在“十四五”期间仍将保持在峰值平台期。随着中厚优质煤层不断开采完毕,而为满足煤炭资源的使用需求,薄煤层的高效开采问题的研究将势在必行。由于薄煤层地质条件复杂,内部含有大量难以破落的夹... 详细信息

我国煤炭资源在能源消耗中占主体地位且在“十四五”期间仍将保持在峰值平台期。随着中厚优质煤层不断开采完毕,而为满足煤炭资源的使用需求,薄煤层的高效开采问题的研究将势在必行。由于薄煤层地质条件复杂,内部含有大量难以破落的夹矸及硬结核,使得采煤机滚筒在截割过程中载荷波动大,截割部应力变化明显,截齿摩擦磨损严重,进而影响滚筒使用寿命与开采经济效益。对兖州矿区杨村矿含硬结核煤层进行采样并开展物理力学性能测试,基于镐型截齿破煤理论,建立了滚筒截割力模型并设计了计算程序。以MG2×70/325-BWD型采煤机滚筒为研究对象。通过UG建立三维模型后导入Hypermesh,采用Solid Edit功能对模型中截齿、硬结核、煤层等非映射体进行切割。保证了硬结核与煤层相接触的椭球体面网格共节点,实现了全模型六面体划分,为准确高效运算K文件奠定了基础;采用LS-DYNA分析合金头、齿体、齿座应力云图得出:截齿作用于硬结核时应力较大区域出现在合金头与齿体的连接处,应力值约为1340MPa,其次是齿体与齿座的连接处,应力值约为1070MPa;当截齿截割至煤层中的硬结核时,硬结核表面受到截齿冲击会出现局部凹陷,整体会产生一定角度偏移,“压实核”随着裂隙扩张逐渐失去对硬结核的支撑;通过分析滚筒三向力曲线得出,截割硬结核时截割阻力上升最为明显,其次是牵引阻力,侧向力变化较小,为验证结果的准确性,利用之前建立的截割力计算程序生成滚筒三向力曲线,对比结果表面二者三向力相对误差值分别为2.2%、7.9%、15.7%均在合理范围内,可见仿真结果可靠;为研究滚筒运动学参数对截割力以及应力的影响规律,采用正交实验法模拟了滚筒牵引速度为2、3、4、5、6m/min,分别对应转速为50、60、70、80、90r/min,共25组工况下的截割过程。分析仿真结果并拟合出相应公式得出:滚筒截割力峰值随着滚筒牵引速度增加而增大,随着转速增加而降低。截割含硬结核煤层时滚筒转速50r/min,牵引速度6m/s时,截割力峰值达到25组仿真最大值为766kN;当运动学参数为滚筒转速90r/min,牵引速度2m/s时,截割力峰值是25组仿真中的最小值为264kN。选取较大的牵引速度与较小的滚筒转速会使硬结核更容易被剥落;破落硬结核时合金头、齿体、齿座的应力峰值都随牵引速度增加而增大;为保证截齿在许用应力内工作,建议避免滚筒以大于5m/min的牵引速度同时小于60r/min的旋转速度截割含硬结核煤层。以上研究成果为揭示破落过程中煤层与截齿应力变化规律,合理匹配滚筒运动学参数,以及含硬结核煤层绿色高效开采做出贡献。同时也对硬结核破落机理的完善与薄煤层滚筒采煤机的设计贡献了力量,对采用有限元法分析破煤过程提供一定参考。该论文有图56幅,表14个,参考文献64篇。

关键词：硬结核薄煤层滚筒采煤机 LS-DYNA 应力变化

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采煤机滚筒截割含硬结核煤岩振动特性研究

采煤机滚筒截割含硬结核煤岩振动特性研究

引用

作者：杜长青辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

采煤机滚筒截割含硬结核煤岩过程中,由于硬结核和煤的坚固性系数有较大的差异,截割含硬结核煤岩受力是截割普通煤岩的几十倍,导致滚筒整体受到冲击力作用,产生剧烈振动,从而使滚筒的使用寿命缩短,滚筒频繁更换,致使整个工作面停采以配... 详细信息

采煤机滚筒截割含硬结核煤岩过程中,由于硬结核和煤的坚固性系数有较大的差异,截割含硬结核煤岩受力是截割普通煤岩的几十倍,导致滚筒整体受到冲击力作用,产生剧烈振动,从而使滚筒的使用寿命缩短,滚筒频繁更换,致使整个工作面停采以配合相关元件的更换,严重影响采煤机生产效率。以薄煤层采煤机滚筒为研究对象,采用CREO、ANSYS、MATLAB和ADAMS四款软件搭建联合仿真平台,通过ANSYS将滚筒制作成柔性件,通过MATLAB获取模拟截割过程中的载荷激励,建立采煤机滚筒刚柔耦合振动学模型,来研究滚筒的振动特性。为验证该方法的可行性,设计及搭建单截齿截割实验台,开展了单截齿的截割实验,研究不同滚筒转速、不同硬结核坚固性系数对滚筒振动信号的影响;根据实验台模型,建立了单截齿滚筒刚柔耦合振动模型,设置与实验相同参数进行振动仿真,仿真与实验的最大误差仅为4.71%,验证了搭建联合仿真平台的方式研究振动特性的可行性。验证成功后,利用搭建好的仿真平台,建立滚筒刚柔耦合振动学模型,研究在ADAMS/Vibration中准确设置多输入、多输出通道以及求解器设置方法,研究滚筒不同转速、不同牵引速度,以及硬结核坚固性系数对滚筒振动特性的影响。结果表明:当不同滚筒转速、滚筒牵引速度截割含不同坚固性系数的含硬结核煤岩时,滚筒加速度频率响应主要集中在40z-80Hz附近,主要激发系统第21,22阶模态。硬结核坚固性系数为影响滚筒振动的主要因素,随坚固性系数增加,滚筒加速度频率响应增加速率在X、Y方向呈三次幂函数形式增加,Z方向呈平方增加;随滚筒转速的增加,滚筒三轴加速度逐渐呈平方增长,当滚筒滚筒转速大于83r/min时,滚筒转速对滚筒加速度影响更加剧烈,当滚筒转速应小于83r/min,滚筒转速振动增涨平缓;随牵引速度的的增加,滚筒牵引速度与滚筒加速度频率响应呈平方关系,滚筒加速度频率响应增加速度逐渐增加,当滚筒牵引速度大于4m/min时,滚筒加速度频率响应增长速率增大。在相同滚筒滚转速的条件下,对比分析滚筒截割普通煤岩和含硬结核煤岩滚筒加速度频率响应,滚筒加速度频率响应幅值、滚筒加速度频率响应的频率有明显差别。采用刚柔耦合的方式研究滚筒的振动特性,得到不同滚筒转速、牵引速度、硬结核坚固性系数对采煤机滚筒振动特性的影响规律,为采煤机开采复杂煤岩提供参考价值;同时该研究内容可为煤矿智能化过程中煤岩识别技术的研究奠定理论基础。该论文有图83幅;表13张;参考文献73篇。

关键词：振动特性刚柔耦合硬结核截割实验采煤机滚筒

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