新型钻式采煤机钻具截割与输送性能研究

发布时间：2017-10-01 12:15

  本文关键词：新型钻式采煤机钻具截割与输送性能研究

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【摘要】：为克服当前钻式采煤机采煤效率低、换钻耗时和钻采偏斜严重等缺点,促进其在薄与极薄煤层中的推广使用,“十二五”期间国家863计划项目“极薄煤层钻式采煤机关键技术与装备”立项,旨在研制一种高效、可靠及经济的高性能新型钻式采煤机。钻具是钻式采煤机的工作机构,作为最核心的部件,其截割与输送性能直接影响整机的可靠性、运行平稳性、生产效率及采煤经济性,研制具有良好截割与输送性能的钻具是研制新型钻式采煤机的重要内容之一。为此,本文以新型钻式采煤机的钻具为研究对象,采用理论分析、模化试验和数值模拟相结合的方法对钻具的截割与输送性能进行研究,为新型钻具和钻采工艺的设计提供指导。针对当前结构形式的钻头,开展了钻头破煤理论研究,分析并掌握了截齿的运动学规律、钻头的破煤机理、截齿的切削工况及破煤量。结合钻头上截齿的切削工况,建立了单齿截煤离散元数值仿真模型,对截齿钻进截割煤岩过程进行了数值模拟,在此基础上,研究并掌握了截槽间距、截齿工作角和截齿运动参数对截齿截割性能的影响规律,为钻头截割性能的分析提供了依据。根据钻头的钻采工况,建立了钻头截割性能评价体系,在此基础上,在煤岩截割试验台上对所研制的试验钻头进行煤岩钻采试验,研究了钻头外形、截齿工作角、运动参数、截齿排距和排布方式等因素对钻头截割性能的影响规律。研究表明:“平面+抛物面”钻头的截割性能优于“平面+圆锥面”钻头;截齿截割角、截齿倾斜角及钻头进给导程均存在最优值使钻头的截割性能最优;钻头进给导程恒定时,钻头各截割性能指标随转速的增大线性恶化;截齿排距对钻头截割性能的影响依赖于钻头的进给导程,设计钻头时,应先确定钻头的进给导程范围,进而选取合理的截齿排距;畸变式钻头的载荷和能耗最小,但其载荷平稳性最差,顺序式钻头的载荷和能耗最大,但其载荷平稳性最好,设计钻头时,应根据不同的使用场合选择合理的截齿排布方式。基于弹性力学和断裂力学理论,分析了围压对煤体强度和裂纹扩展的影响规律,在此基础上,通过利用非线性有限元法对单钻头和多钻头的煤岩钻采过程进行数值模拟,研究了不同围压条件下钻头和钻具的截割性能。研究表明:围压越大,围压向数越多,钻头的载荷和截割比能耗将越大,而平均破煤率则越小,围压对钻头截割性能的影响不可忽视;多钻头并行钻采时,各钻头的截割性能主要受相邻钻头煤岩钻采过程的影响,一定程度上钻头间的相互作用可以改善各钻头的截割性能;钻具上各钻头的截割性能与其钻采工况密切相关,相邻煤孔间煤体的强度弱化是引起各钻采工况钻头间截割性能差异的根本原因,而围压仅是加大这种差异的直接原因;钻具在从动钻头超前排布和从动钻头滞后排布模式下的截割性能差异极小,设计钻具时不宜采用并行排布模式布置钻头。基于离散元法基本理论,利用离散元软件PFC3D建立了钻具输煤数值仿真模型,并系统地建立了钻具输送性能评价体系,在此基础上,研究了钻具在整个钻采过程中的输送行为。研究表明:风筒区域的物料堆积是中间钻杆有效输料的前提条件;新型钻式采煤机应取消犁煤板以避免中间钻杆与风筒间的循环物流;钻头物料输送的单向性和不均匀性导致沿钻具横向的物料分布不均衡,同类部件间的物料充填率、功率及物料输送率等指标均具有显著差异;设计传动箱时应尽可能增大其侧面过料空间;由于较大的物料充填率和过料阻抗,钻头区域物料的涡旋运动极为剧烈;设计钻具时,各部件的进给功率可以忽略,但各部件的进给阻力均应予以考虑;在退钻过程中,风筒区域的残留物料回收率相对较低,调高油缸在物料回收中起主导作用,而钻头起次要作用。利用钻具输煤数值仿真模型对不同首节钻杆叶片缺失长度、钻头布置方案、煤层方位角和转速条件下钻具的输煤过程进行了仿真模拟,研究了相关因素对钻具的物料充填率、功率、物料输送率等输送性能指标的影响规律。研究表明:首节钻杆叶片缺失长度的增加会增大钻头和传动箱处的物料堵塞风险,减小钻具的钻进采出率,设计钻杆时应尽可能减小首节钻杆的叶片缺失长度;在四种钻头布置方案中,方案1和方案3优于方案2和方案4,方案1可以使钻具在高进给速度下获得最优的物料输送性能;钻具各部件的物料充填率、功率和输送比能耗均随正向煤层倾斜角的增大而减小,随负向煤层倾斜角的增大而增大,开设巷道时应尽可能使钻具处于仰采状态;钻具的输送性能随正向煤层走向角的增大而下降,随负向煤层走向角的增大而提高,设计钻具时可通过改变中间钻杆和中间螺旋钻头的转向及叶片旋向以达到间接保证钻具在负向煤层走向角条件下工作的目的;钻头和钻杆各自均存在一个最优转速,为保证钻具的整体输送性能,钻具转速应按钻杆的最优转速选取。
【关键词】：新型钻式采煤机 钻具 钻头 破煤理论 钻采试验 数值模拟 围压 截割性能 输送行为 输送性能
【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】：TD421.6
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-10
• Extended Abstract10-35
• 变量注释表35-41
• 1 绪论41-59
• 1.1 课题来源41
• 1.2 选题背景及研究意义41-43
• 1.3 新型钻式采煤机及钻式采煤法概述43-47
• 1.4 国内外研究现状47-56
• 1.5 研究中存在的问题56-57
• 1.6 主要研究内容57-59
• 2 钻头破煤理论及单齿截割性能研究59-85
• 2.1 钻头破煤理论研究59-64
• 2.2 钻进条件下单齿截割性能研究64-83
• 2.3 本章小结83-85
• 3 单钻头截割性能的试验研究85-115
• 3.1 煤岩截割试验台的改造及试验钻头的研制85-91
• 3.2 钻头截割性能评价体系91-93
• 3.3 钻头截割性能试验研究93-113
• 3.4 本章小结113-115
• 4 围压条件下钻具截割性能的数值模拟研究115-159
• 4.1 围压对煤体力学特性的影响115-119
• 4.2 钻头煤岩截割非线性有限元模型119-130
• 4.3 围压对单钻头截割性能的影响130-139
• 4.4 并行钻采条件下钻具截割性能研究139-157
• 4.5 本章小结157-159
• 5 钻具输送行为的数值模拟研究159-188
• 5.1 钻具输煤数值仿真模型159-168
• 5.2 钻具输送性能评价体系168-170
• 5.3 钻具输送行为研究170-187
• 5.4 本章小结187-188
• 6 钻具输送性能的数值模拟研究188-228
• 6.1 首节钻杆叶片缺失长度对钻具输送性能的影响188-195
• 6.2 钻头布置方案对钻具输送性能的影响195-204
• 6.3 煤层方位角对钻具输送性能的影响204-218
• 6.4 转速对钻具输送性能的影响218-226
• 6.5 本章小结226-228
• 7 结论与展望228-233
• 7.1 主要结论228-231
• 7.2 创新点231
• 7.3 展望231-233
• 参考文献233-242
• 附录242-243
• 作者简历243-245
• 学位论文数据集245

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本文编号：953395