掘进机截割头运动参数及截齿布置参数对其截割性能影响研究

发布时间：2016-10-02 06:56

第一章 绪论

1.1 课题研究的背景
随着全球人口的急剧增加和世界经济的迅猛发展，能源供应不足问题逐渐凸显。石油和天然气的价格居高不下，引起各国对煤炭的需求不断增长，我国煤炭年开采量居世界首位，同时也是煤炭消耗大国。年均消耗量占世界的 1/3 之多。近些年，虽然其他能源如天然气，水力等的消费比重有了很大提高，但煤炭以将近 55%—65%的比重仍然在我国能源消费结构中占据着主导地位。煤炭行业稳健的发展对我国的能源供给意义重大，有利于我国国民经济的可持续发展。为了降低煤炭生产成本，提高生产效率，保障矿下生产安全，必须改进生产技术、摆脱传统的生产方式，实现掘进综掘化、采煤综采化、运输机械化、监测自动化。悬臂式掘进机的主要功能是用来截割、装载运输、自行走及喷雾除尘，它被广泛的应用于公路、铁路的隧道施工和煤矿巷道的机械化掘进领域。其结构如图 1-1 所示。截割部又称工作机构，主要由驱动电机、减速器、切割臂、截割头等部分组成[1]。其中，截割头是参与破碎煤壁的构件。其作用主要是用来脱落煤，工作时 70%-80%的功率都消耗在截割头上[2]。截割头截割性能对整机的工作效率、负载、截割块煤率、工作现场粉尘量的大小、工作平稳性、可靠性及使用寿命都有直接的影响，反映了掘进机的综合能力，因此，世界各国学者都以提高截割头截割性能为目标对掘进机截割开展了大量研究与改进工作。
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1.2 课题研究的目的和意义
悬臂式纵轴掘进机是目前机械化掘煤的关键设备，在煤矿开采中扮演不可替代的作用。截割头是掘进机的核心部件，截割煤效率的高低取决于截割头。截割头的结构比较复杂，结构参数很多，同时彼此之间互相影响、制约着截割头的性能，在设计截割头时，要综合考虑结构参数，对它们选取的好坏会对掘进机的截割性能有着重要影响，工作性能与掘进机的效率、稳定状况和截割煤炭的经济效益关系密切，反映着整机的综合性能。讨论、分析截割头运动参数为优化截割头结构、研究截割头动力学和探讨掘进机较好截割状态作下了铺垫。截割头的运动参数包括转速、横切速度和钻进速度。截割部横切煤时，截割头一边绕自己的轴线旋转，一边随着悬臂摆动；截割部钻进煤时，截割头一边绕自己的轴线旋转，一边随着履带推进。截割头的载荷大小、波动和截割比能耗与运动参数有着密切的联系，在截割过程中，截割头的载荷规律会影响、制约着掘进机的生产效率和使用寿命，要想使掘进机处在较理想的截割状态和取得较好的截割性能，就要深入分析研究截割头运动参数对掘进机性能的影响，为了获得匹配合理的运动参数。本课题首先运用三维设计软件建立了掘进机截割头和煤壁三维模型并按实际采煤工况装配好，然后将其导入显式动力学分析软件 LS-DYNA 中进行了截割煤壁的动力学仿真，形象直观的得到了仿真的整个动态过程。在后处理软件 LS-PREPOST 中提取了各个截齿及截割头的载荷曲线，并对载荷数值进行统计，对截割头各个结构参数和运动参数进行了讨论，同时搭建了截割头截割煤壁试验台，获取了对应运动参数下的比能耗。最后结合前文的理论分析，利用遗传算法，探索截割头运动参数之间的合理匹配关系，本文将理论、仿真与试验三者紧密结合起来，相互印证，为截割头运动参数选取、结构设计和掘进机截割操作提供参考价值。
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第二章 煤的性质及煤截割力学基础

2.1 引言
在煤矿下掘进巷道时，煤是掘进机的切割对象，对掘进机截割头受力、崩落煤块度大小、比能耗、工作效率、整机寿命等均有直接的影响。截割头在破碎煤时，绝大多数功率都消耗在煤的剥落过程中。因此，需要了解煤的结构特点、物理机械性质以提高掘进机的综合性能。同时，为研究煤的截割破碎机理，探索掘进机截割头截割过程的合理结构参数、运动参数，以提高掘进机工作的可靠性、稳定性，需要对截齿的破煤机理、截割头及其各截齿的力学特性进行研究。
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2.2 煤的结构特性
煤是亿万年前大量植物埋在地下慢慢形成的。煤在这个过程中形成了自己两个显著的特征，即层理和节理，以致煤各个方位的性质不相同且各处质地不均匀，煤的结构特点概括为以下两个：（1）原生性构造煤形成时的条件造成了这个特征，如形成煤的大自然的环境、植物种类等。学者们大多用节理、层理和非均质等描述煤的这个特点[38]。（2）次生性构造地质动力和地壳运动造成了这个特征，一般用裂隙和断裂来描述[38]。煤的结构非常复杂，含有各种成分。很多情况下，在煤层里夹杂着比煤强度高得多的岩石夹层，即夹矸，夹矸含有炭质、粘土质、粉砂岩等。通常情况下，煤的脆性比较明显，掘进机截割头在截割煤壁过程中，煤的破坏形式大多表现脆性破坏。而且脆性越明显的煤越容易破碎，切割时所需要的能量就越少。相反，弹塑性比较明显的煤越不容易破碎，切割时所需要的能量就比较多。（5）煤的摩擦腐蚀性掘进机在截割煤壁的过程中，截齿总是会受到摩擦阻力的作用，摩擦阻力会消耗截齿的许多有用功，同时其表面受到不同程度的磨损，增加截齿截割阻力，使截齿表面发热，掘进机截割头截齿与煤体间的摩擦系数μ不仅和镐形截齿的材料有关，而且与截割头截割速度和截齿对煤壁的压力有关。
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第三章 基于 LS-DYNA 截割头截割煤壁数值模拟........ 19
3.1 引言..... 19
3.2 LS-DYNA 简介........19
3.3 LS-DYNA 算法特点...... 19
3.4 LS-NYDA 分析的一般流程........24
3.5 掘进机截割头截割煤壁数值模拟....24
3.6 本章小结....33
第四章 掘进机截割头结构参数的研究........35
4.1 引言..... 35
4.2 截齿角度对截割性能的影响.....35
4.3 截线距对截割性能的影响......... 41
4.4 切削厚度对截割性能的影响.....45
4.5 本章小结.....46
第五章 掘进机截割头运动参数的研究........49
5.1 引言..... 49
5.2 转速对截割性能的影响.......49
5.3 横切速度和钻进速度对截割性能的影响.....56
5.4 本章小结....62

第七章 遗传算法在截割头运动参数优化设计中的应用

7.1 引言

横截工况中的运动参数，即横切速度和转速，与截割头单位时间产煤量、载荷波动和截割阻力所消耗的有用功大小联系密切。由前面章节讨论得出，横切速度越大，崩落煤块的体积便增大、比能耗呈现递减趋势，截割头受力呈现递增趋势，导致提高截割功率；转速越大，截割头受力呈现递减趋势，但使截割现场粉尘浓度提高。鉴于横截工况中运动参数与截割头工作性能之间的繁杂关系，本课题利用遗传算法（GeneticAlgorithm）来对横切速度和转速进行优化，探索两者之间的最佳组合关系，，从而取得较好的截割性能。遗传算法是一种根据自然界生物进化过程开发出来的求解最优解的优化算法，其模拟基因重组与生物进化的自然过程，将要求解问题的变量用二进制码或十进制码即基因加以处理，多个基因交配为一个染色体（个体），多个个体通过自然选择、配对交叉和变异，经过若干次迭代直到获得最优解[66]。选择又称复制，是在种群中挑选生存能力优越的个体形成新的种群的现象。遗传算法通过选择算子来选择去除种群中的个体。选择运算的作用是防止遗漏较好的个体，增加群体收敛能力和运算速度。选择算子选择的优劣，关联到求解结果的精确度。交叉又称重组，是指把两个彼此结合的个体通过一定的办法互换它们的某些编码，以致产生两个新的生命。交叉运算是遗传算法独有的性质，新生命大多数都是依靠这种途径诞生。变异，是指把染色体里的若干基因座的编码取代为这些基因座的剩余等位编码，以致产生一个新的生命。变异运算是形成新生命的协助手段，通过变异算子和交叉算子彼此协调起来，才能实现对解空间的局部和全局搜索。

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结论

（1）发现截割头所受的三向阻力周期变化，这和截割头上截齿的布置方式存在联系；同时由受力图表明，由于截齿在截割煤壁过程中煤壁的崩落效应及截齿工作的不连续，因此截割头所受到的载荷是随机波动变化的。
（2）当截齿切削角为 45°时，截齿截割阻力的均值和最大值取得最小，截齿所受的截割阻力曲线波动最为平稳，取值最为均衡，同时煤壁所受到的等效应力最值最小。当截齿倾斜角为 15°时，截齿所受切削力和侧向力较 5°、10°、20°小，此时截齿单侧磨损现象较轻，提高了截齿、齿座等的寿命，改善了截齿的截割性能。
（3）当切削厚度一定时，截线距越大，截齿的截割阻力、扭矩、比能耗均呈现递增趋势，存在一个最佳截线距使得截齿截割时能够充分利用煤壁崩落效应，截割效率较高，同时比能耗较小。当截线距一定时，切削厚度越大，截割力和力距呈现递增趋势，提高了崩落煤块的体积，降低了截割现场的粉尘浓度，但是切削厚度过大会导致截齿及齿座加速磨损甚至损坏，引起机身剧烈振动，导致截割头对煤不能进行顺畅破碎。
（4）截割仿真截割头载荷统计值表明，当横切速度或钻进速度一定时，转速越大，比能耗呈现递增趋势；但是截割头上的截割力及扭矩呈现递减趋势。当截割头转速一定时，横切速度或钻进速度越大，截割头上的截割力及扭矩平均值呈现递增趋势；但是比能耗呈现递减趋势。
（5）截割试验数据表明，转速越高，截割头所受三向阻力和负载扭矩呈现递减趋势，比能耗和转速形成指数形式增长曲线；横切速度越高，截割头所受三向阻力和负载扭矩呈现递增趋势，而比能耗与横切速度构成双曲线减小趋势，同时，这与有限元软件LS-DYNA 仿真所得的结论是一致的。
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参考文献(略)

本文编号：128460