镐型截齿与煤岩互作用力学与磨损特性研究

发布时间：2017-10-13 10:43

  本文关键词：镐型截齿与煤岩互作用力学与磨损特性研究

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【摘要】：镐型截齿是采掘装备的截割刀具,直接与煤岩接触作用,其性能直接影响采掘装备截割机构的截割效率。因此,对与煤岩互作用过程中的镐型截齿展开力学与磨损特性研究,为井下实际工况下采掘装备的截齿磨损研究提供依据,具有重要的理论意义和实用价值。依据煤岩截割理论以及针对掘进机截割头所安装截齿与煤岩的相对运动形式,从截齿的磨损部位、主要磨损形式和影响其磨损的主要因素三方面分析互作用条件下截齿的磨损机理;以此为基础建立镐型截齿截割条件下与煤岩互作用的接触模型,所建立的模型包含煤岩性质参数、截齿工作角度参数、结构参数及运动参数;进而从理论上分析各个参数对截齿与煤岩干涉量的影响,为研究镐型截齿的磨损特性奠定理论基础。在煤岩截割试验台基础上,研制了包含端盘、齿座以及截齿的截割装置;以天然煤岩抗压强度为主要模拟量,配置了可模拟坚硬度系数f为2~3的煤岩,为镐型截齿与煤岩互作用的力学与磨损特性研究提供试验基础。利用上述截割试验装置,研究了截齿截割形式、结构参数及工作角度参数对截齿磨损的影响,分析了截齿磨损对其截割性能的影响,为减少截齿磨损提供依据并验证所建立截齿与煤岩互作用模型的准确性。为研究截齿与煤岩互作用的力学特性,利用有限元数值方法,以煤岩体有限元计算方法、煤岩体本构模型和破化准则及接触算法等模型理论为基础,建立了镐型截齿与煤岩互作用的直线和旋转截割数值模拟模型,进而在等截割深度和非等截割深度条件下对直线模型和旋转模型进行了一致性分析,指出两种条件下的直线模型与旋转模型之间具有较好的一致性,最后利用建立的分体截齿与煤岩互作用直线截割数值模型,研究截齿截割形式、结构参数及工作角度参数对截齿力学特性的影响。为研究截齿与煤岩互作用的自旋转特性,理论上分析了截齿的自旋转能力,提出了截齿自旋转的旋转动力矩和旋转阻力矩,并指出截齿与煤岩互作用过程中的旋转条件,同时研究了截齿齿身长度、齿柄长度、端面半径和齿柄直径对旋转阻力矩的影响。进而利用煤岩截割试验台,进行镐型截齿截割形式、结构参数及工作角度参数对自旋转性能影响的试验研究。同时,为了进一步揭示截齿自旋转机理,建立了截齿与齿座互作用数值模型,研究受载条件下截齿与齿座相互作用过程中截齿不受旋转阻力矩情况下的时间值。研究表明,截齿和齿座之间的摩擦阻力不是影响截齿旋转能力的主导因素,而是截齿不受旋转阻力矩情况下的时间值。利用水射流辅助截齿截割试验台进行不同配置方式水射流辅助截齿破岩试验,试验结果表明不同配置方式水射流均具有减少截齿截割载荷的作用,也具备减少截齿磨损的能力,且该试验研究为验证数值模型的准确性打下基础。进而利用SPH和有限元耦合的数值方法建立了水射流截割煤岩模型,在研究水射流冲击力的基础上,研究了射流角度、射流直径和射流速度对其破岩性能的影响。最后利用有限元方法建立了可以表征水射流作用下的镐型截齿与煤岩互作用模型,结合截齿受载与其磨损的关系进行水射流辅助截齿破岩降载减磨机理研究,主要研究不同配置方式、预裂隙深度和预裂隙距截齿齿尖距离对截齿截割阻力、法向和侧向磨损及自旋转能力的影响。
【关键词】：掘进机 镐型截齿 煤岩 截割性能 互作用 干涉 磨损特性 自旋转性能 水射流 减磨机理
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD42
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-30
• 变量注释表30-35
• 1 绪论35-55
• 1.1 课题来源35
• 1.2 选题背景及意义35-37
• 1.3 掘进机及镐型截齿概述37-40
• 1.4 课题研究现状40-52
• 1.5 现有研究存在的问题52-53
• 1.6 论文主要研究内容53-55
• 2 镐型截齿与煤岩互作用理论研究55-80
• 2.1 互作用下截齿磨损机理55-62
• 2.2 截齿与煤岩互作用接触模型62-75
• 2.3 截齿倾斜角对接触区域的影响75-79
• 2.4 本章小结79-80
• 3 镐型截齿与煤岩互作用磨损试验研究80-105
• 3.1 试验装置及材料准备80-87
• 3.2 截齿磨损特性试验研究87-101
• 3.3 截齿磨损对截割性能的影响101-104
• 3.4 本章小结104-105
• 4 镐型截齿与煤岩互作用力学特性数值模拟研究105-133
• 4.1 截齿与煤岩互作用数值模型105-110
• 4.2 直线与旋转模型一致性分析110-114
• 4.3 截齿力学特性研究114-131
• 4.4 本章小结131-133
• 5 镐型截齿自旋转性能试验及数值模拟研究133-161
• 5.1 自旋转能力理论分析133-137
• 5.2 截齿自旋转性能试验研究137-144
• 5.3 截齿自旋转机理数值模拟研究144-160
• 5.4 本章小结160-161
• 6 水射流辅助镐型截齿破岩降载减磨机理研究161-192
• 6.1 水射流辅助截齿破岩试验研究161-166
• 6.2 水射流破岩性能数值模拟研究166-181
• 6.3 水射流预裂隙对截齿载荷和磨损的影响181-190
• 6.4 本章小结190-192
• 7 结论与展望192-196
• 7.1 主要结论192-194
• 7.2 创新点194-195
• 7.3 展望195-196
• 参考文献196-207
• 作者简历207-210
• 学位论文数据集210

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本文编号：1024404