滚筒采煤机开采含煤岩界面煤层截割特性研究

发布时间：2017-04-29 13:07

  本文关键词：滚筒采煤机开采含煤岩界面煤层截割特性研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：采煤机是综合机械化采煤的重要组成部分,滚筒作为其截煤机构承担着截煤、输煤等关键任务,镐型截齿是其落煤的“主力”,其截割性能直接影响采煤机的生产效率和可靠性。近些年来滚筒的截割性能成为国内外学者的研究热点,如何提高滚筒采煤机在开采薄与极薄等含煤岩界面煤层时的性能更是亟待解决的问题。为此,本文对镐型截齿、滚筒截割含煤岩界面煤层的动力学特性、截割性能进行了理论及试验研究。本文基于Evans破岩理论以及单向加载条件下煤岩破碎的试验结果,建立了镐型截齿、滚筒旋转截割均质煤岩层的力学模型,并结合层状岩体应力应变状态分析及格里菲斯强度理论,建立了镐型截齿、滚筒旋转截割含煤岩截面煤层的力学模型。基于相似理论,建立了煤岩性质、滚筒、截齿以及截割载荷的相似准则,研制了煤岩截割试验基台、截齿和滚筒,并开发了可以获取镐型截齿截割煤岩的三向力的嵌入式无线测试系统。将抗压强度作为配置模拟煤壁的主要依据并考虑煤岩的节理、层理等特性,配制了试验用模拟煤壁,通过单向抗压试验得到了其抗压强度与粉煤(沙子)和水泥配比间的关系,并为后续配制模拟煤岩材料提供依据。在煤岩截割试验台上进行单齿截割均质煤层、岩层和含煤岩界面煤层试验,通过对不同截割对象条件下的截割载荷时域特性开展研究,揭示了截割载荷随时间变化的一些基本规律,并得出含煤岩界面煤层中会出现较大的冲击载荷等时域特性。基于此,在时域内对截割载荷的统计量进行分析,得出截割载荷随截割材料参数变化的规律,验证了截割力学模型分析的正确性并对截割力学模型进行了修正。对比均质煤层截割载荷与含界面煤层截割载荷,说明界面的存在对煤层段载荷的影响较明显,且界面层的存在降低煤层段载荷,从而增大了煤层段与岩层段载荷的差值,差值越大,煤层段到岩层段过渡过程中的载荷变化越剧烈,冲击越明显,从而降低截齿截割性能和使用寿命。同时,采用截割单位能耗、块煤率和截齿磨损量等指标研究截割材料参数对截齿截割性能的影响,结果发现截割载荷、截割单位能耗均随截割材料抗压强度的增大而增大,变化规律基本一致,表明单齿截割载荷是影响单齿截割单位能耗的主要因素。块煤率随煤层抗压强度递增,且含煤岩界面煤层中界面层位置对截割载荷和截齿磨损量影响比较显著。在均质煤层和含煤岩界面煤层的截割条件下,结合镐型截齿和滚筒截割力学模型,对比单齿截割载荷扭矩计算值与滚筒截割扭矩实测值,分析其内在联系。研究结果表明滚筒截割扭矩载荷是由截齿截割载荷、滚筒装煤载荷以及齿座等参与截割产生的载荷组成,同时说明截割载荷研究对衡量截齿截割性能具有重要意义。通过载荷降噪对比分析,选用EMD信号处理方法降噪,对截割载荷进行功率谱分析和三维时频联合分析,得到系统主频率与被截割煤岩性质、煤岩破碎情况的关系,同时获取系统频率随时间和煤岩性质的变化规律,为进一步揭示截割破碎煤岩机理提供理论指导。以截割载荷为依据,结合镐型截齿破岩机理和突变理论,通过非线性函数拟合煤岩单次崩落载荷变化规律,建立截割载荷折叠突变理论模型,获取了截落煤岩的刚度条件、能量条件以及崩落破碎临界条件。结果表明在截割机构刚度大于煤岩刚度条件下,当载荷达到煤岩崩落破碎条件时,截割载荷的增大或截割机构受激振动而产生的扰动就可以形成煤岩的有效崩落破碎。通过对截割载荷的相空间重构分析,可知单齿截割载荷具有明显混沌特征,基于此,采用关联维、李雅普诺夫指数、复杂度等混沌特性指数分析截割载荷,发现截割载荷的特征指数会随截割对象的不同产生变化,这为采煤机截割含煤岩界面煤层过程中截割对象的分辨提供了理论指导,为采煤机稳定可靠的工作提供保障。在煤岩截割试验台上开展了镐型截齿截割含煤岩界面煤层的试验,以截割载荷作为衡量截割性能指标,研究了镐型截齿的结构参数、安装参数、运动学参数对截割性能的影响。结果表明在本试验研究范围内,截割载荷随着齿尖夹角的增大、齿身锥角的增大、截线距的增大、滚筒转速的降低以及截割厚度的增大而增大;随着冲击角的增大截割载荷先减小后增大,冲击角在48°左右时载荷最小;随着倾斜角的增大,截割载荷先减小后增大,这与理论研究适当增大倾斜角可以提高截割效率相一致。为降低磨损量,本文提出在截齿齿身上焊接耐磨筋条,具有筋条的截齿虽然在一定程度上增大截齿截割载荷,但可以降低截齿磨损量,提高截齿使用寿命,这为截齿的设计制造提供指导。
【关键词】：滚筒采煤机 镐型截齿 旋转截割 三向力传感器 嵌入式测试系统 无线数据传输 EMD 载荷谱分析 截割力学模型 折叠突变理论 含煤岩界面煤层 截齿磨损量
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD421.6
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-10
• Extended Abstract10-30
• 变量注释表30-33
• 1 绪论33-52
• 1.1 选题背景及研究意义33-34
• 1.2 滚筒采煤机开采含煤岩界面煤层概述34-40
• 1.3 国内外研究现状40-50
• 1.4 论文主要研究内容50-51
• 1.5 本章小结51-52
• 2 含煤岩界面煤层截割理论研究52-80
• 2.1 煤岩的机械性质52-54
• 2.2 煤岩破碎理论54-59
• 2.3 均质煤岩单齿截割理论模型59-71
• 2.4 含煤岩界面煤层单齿截割理论模型71-77
• 2.5 滚筒截割煤岩力学模型77-79
• 2.6 本章小结79-80
• 3 煤岩截割试验系统建立80-102
• 3.1 煤岩截割试验系统相似准则建立80-82
• 3.2 模拟煤岩材料的研制82-85
• 3.3 煤岩截割试验台研制85-89
• 3.4 煤岩截割试验测试系统研制89-100
• 3.5 本章小结100-102
• 4 含煤岩界面煤层截割性能试验研究102-142
• 4.1 单个截齿截割载荷时域分析102-110
• 4.2 均质煤层和岩层材料性质对截齿截割性能影响110-120
• 4.3 含煤岩界面煤层对截齿截割性能影响120-131
• 4.4 煤岩层截割力学模型的试验修正131-136
• 4.5 单齿截割与滚筒截割载荷对比试验研究136-140
• 4.6 本章小结140-142
• 5 含煤岩界面煤层截割载荷特性分析142-170
• 5.1 截割载荷时频特性分析142-151
• 5.2 基于突变理论的截割载荷特性分析151-160
• 5.3 截割载荷特性非线性动力学分析160-168
• 5.4 本章小结168-170
• 6 含煤岩界面煤层截割截齿参数试验研究170-191
• 6.1 截齿结构参数对截齿截割性能影响170-177
• 6.2 截齿安装参数对截齿截割性能影响177-184
• 6.3 截齿运动参数对截齿截割性能影响184-189
• 6.4 本章小结189-191
• 7 结论与展望191-196
• 7.1 结论191-194
• 7.2 创新点194
• 7.3 展望194-196
• 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：334910