（机械设计及理论专业论文）复杂煤层模拟及连续采煤机截割机构参数优化.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 短壁开采技术的发展和地下规则煤田数量的减少，使连续采煤机 广泛地应用在现代化的矿井生产中。截割机构是连续采煤机的重要部 件之一，截割时呈悬臂状态，工作状况恶劣，滚筒受力复杂，截割载 荷变化大，容易引起机器较大的振动，降低了机器传动件和联接件的 疲劳强度，影响了机器工作的可靠性和稳定性。 本文首先通过对包裹体和夹石层的煤层特征及其在煤层中分布 规律的研究，建立了包裹体分布规律的数学模型，在m a t l a b 平台上 实现对其各种分布形式的模拟。其次，在镐形截齿单齿受力分析的基 础上，建立截割含有包裹体和夹石层煤层的随机载荷模型，模拟得到 了截割机构在复杂煤层条件下的载荷变化规律。最后，以煤炭生产的 综合经济效益为总目标函数，以连续采煤机的截割比能耗、生产效率、 载荷波动和煤炭品质为分目标函数建立优化模型，以对上述四个目标 函数影响显著的滚筒结构参数和运动参数为设计变量，并根据截割机 构的工作条件和实践经验确定约束条件，采用生物进化思想，基于 m a t l a b 7 0 1 中的g a 工具箱对在不同截割阻抗下的滚筒结构参数和运 动参数进行了优化设计，以保证煤炭生产企业获得最大经济利益。 关键词：连续采煤机；截割机构；复杂煤层；模拟；参数；优化 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o n t i n u o u sm i n e r sa r ew i d e l yu s e di nm o d e mm i n e sb e c a u s eo f t h ed e v e l o p m e n t o fs h o r t w a l lc o a lm i n i n gm e t h o da n dt h el e s e i w e sd e c r e a s eo fr e g u l a rc o a l f i e l d s a n o p e r a t i n gm e c h a n i s mi so n eo fi m p o r t a n tc o m p o n e n t so i lac o n t i n u o u sm i n e na sa l l o p e r a t i n gm e c h a n i s mi sc a n t i l e v e rt y p eo nw o r k i n g , i t sc o n d i t i o ni sb a d , a n df o r c ei s c o m p l e x o nc u t t i n gd r u m s o nw h i c ht h el o a d sa l ec h a n g e da ta n ym o m e n t 1 1 l e s el e a d t oc o n t i n u o u sm i n e rv i b r a t i o nb a d l y , d e c r e a s ef a t i g u es t r e n g t ho ft r a n s m i s s i o np a r t s a n dc o n n e c t i o n s ，a n de r i e c tt h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo f c o n t i n u o u sm i n e r f i r s t l y , t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh a r dp a r c e l si se s t a b l i s h e d ，a c c o r d i n gt oc o a l s e a mf e a t u r e sa n dd i s t r i b u f i v er e g u l a r i t vo fh a r dp a r c e l sa n dr o c ks e a m si i lc o a l f o r m a t i o n 1 1 l cs i m u l a t i o no f k i n d so f d i s t r i b u t er e g u a r i t yi sf u l f i l l e db a s e do nm a t l a b i l lt h ep a p e r s e c o n d l y , t h er a n d o ml o a dm o d e l so fc o a lf o r m a t i o n , i nw h i c ht h e r ea r e l o r so fp a r c e l sa n ds e v e r a lr o c ks e a m s ，0 1 ee s t a b l i s h e d , w h i c hb a s e do ns t u d y i n gt h e f o r c e so nap i c k n l el o a dr e g u l a r i t yi sf o u n dw h i l et h eo p e r a t i n gm e c h a n i s mo f c o n t i n u o u sm i n e rw o r k so i lc o m p l e xc o a lf o r m a t i o n f i n a l l y , t h eo p t i m i z a t i o nm o d e l i se s t a b l i s h e d ，w h i c ht a k e ss y n t h e t i c a le c o n o m i cr e t u r n so fc o a le n t e r p r i s e sa st o t a l o b j e c tf u n c t i o n , a n dt a k e ss p e c i f i ce n e r g yc o n s u m p t i o n ，l o a df l u c t u a t i o nc o e f f i c i e n t ， c o a lf r a g m e n t a t i o nd e g r e ea n dp r o d u c t i v i t yr a t i oa ss u b o b j e c tm o d e l 毗s t r u c t u r e p a r a m e t e r sa n dm o v e m e n tp a r a m e t e r so f c u t t i n gd r u m s a l er e g a r d e da sd e s i g nv a r i a n t s i nt h em o d e l s t h ec o n s t r u c t i o n sa r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ow o r kc o n d i t i o no f o p e r a t i n gm e c h a n i s ma n dd e s i g n e r se x p e r i e n c e b a s e do ni d e a so fb i o l o g i c a l e v o l u t i o n , s t r u c t u r ep a r m n e t e r sa n dm o v e m e n tp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e di nd e r e n t c u t t i n gi m p e d a n c ei nt h em o d e lb yn s i n gg at o o l b o xo fm a f l a b 7 0 1 s ot h e o p t i m i z a t i o nm o d e lc o u l de n s x l l ec o a le n t e r p r i s e so b t a i n i n gb e t t e re c o n o m i cr e t u r n s k e yw o r d s ：c o n t i n u o u sm i n e r ；o p e r a t i n gm e c h a n i s m ；c o m p l e xc o a lf o r m a t i o n ； s i m u l a t i o n ；p a r a m e t e r s ；o p t i m i z a t i o n 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果： ( 1 ) 根据硬质包裹体在煤岩中分布规律的假设，建立了不同形式 随机函数的分布模型，并用三维实体形式描绘其在截割工作面内的分 布特征，提出的截圆法解决截齿与包裹体接触形式的判断问题，为研 究截割机构上的随机载荷提供了基础条件。 ( 2 ) 以镐形截齿破煤理论为基础，研究了各种截割参数对截割机 构载荷的影响规律，建立了连续采煤机截割机构随机载荷的确定方法 和编制了模拟分析程序，为设计连续采煤机的截割机构、分析和改善 连续采煤机的截割性能奠定了理论基础。 ( 3 ) 通过模化试验，建立了截割比能耗与连续采煤机各参数之间 的关系，提出并建立了以截割比能耗、生产率、载荷波动和煤炭品质 为目标函数，以截割机构的结构参数和运动参数为设计变量的连续采 煤机截割机构优化模型。该模型可根据破碎介质截割阻抗大小来确定 截割机构的结构参数和运动参数，可根据煤岩的力学特征对截割机构 的运动参数进行优选，能保证煤炭生产企业获得最好的综合经济效 益。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 作者：日期：丞塑! 主：5 碑 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 1绪论 1 1国内外连续采煤机的发展和使用状况 1 1 1连续采煤机在国外的发展和使用 2 0 世纪4 0 年代末，美国利诺斯( l e e n o r s e ) 公司首先在装煤 机机身上安装了一个可摆动的落煤截割头，实现了割煤、落煤和装煤 工序的机械化连续作业，这就形成了连续采煤机的雏形。历经半个 多世纪的发展，连续采煤机已经日臻完善，其采掘工艺也走向成熟， 不仅在美国，而且世界许多国家，在房柱式采煤、回收边角煤以及长 壁开采的煤巷快速掘进中得到了广泛应用，其单产、单进作业创造出 前所未有的水平，为采煤界所公认瞳1 。 按照落煤机构来划分，连续采煤机的发展大体经历三个阶段： 第一阶段，2 0 世纪4 0 年代，以利诺斯公司的c m 2 8 h 型和久益机 械制造公司( j o y m a n u f a c t u r i n g c o m p a n y ) 的3 j c m 型和6 c m 型为代表的截链式连续采煤机，主要用于开采煤炭、钾碱矿、铝土矿、 页岩以及永冻土等。采煤机的生产能力低，且结构复杂，装煤效果差。 第二阶段，5 0 年代，以久益公司的8 c m 型为代表的摆动式截割 头连续采煤机，生产能力较高，装煤效果较好，但机器工作时振动大， 维护费用高。 第三阶段，6 0 年代至今，滚筒式连续采煤机高速发展，并日趋成 熟。从8 0 年代开始，随着开采工艺的发展和开采条件的提高，连续采 煤机不断向大功率、多功能、系列化和自动化方向发展，使其适用性 和智能性增强，逐渐成为先进产煤大国的主要采煤设备。 第三代滚筒式连续采煤机，集破煤、落煤、装运、行走、电液系 统及辅助装置为一体，达到了很高的制造水平，其中久益公司的1 2 c m 型、1 4 c m 型及1 7 c m 型系列产品代表了当前国际先进水平。9 0 年代 初期，塔姆洛克奥钢联研制出了集安全、环保和人类工程学于一体的 a b m 2 0 型带有锚杆机的连续采煤机。2 0 0 0 年久益公司开发的连续采 煤机加大了机器的质量和功率，改进了技术性能，使其强度增加，同 时提高了运行速度，降低了吨煤成本。这种采煤机带有故障诊断装置 并且具有标准的部件结构，有助于在生产过程中使停工事故降到最低 程度。2 0 0 3 年美国菲尔奇公司又开发了一种f5 2 5 型连续采煤机锚杆 机，集采、掘、落、装、行、钻眼和支护等功能于一体，使连续采煤 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 机的应用有了重大突破。 国外十大煤炭企业中有美国的阿齐煤炭公司( 美国第二大煤炭公 司) 、英国的r j b 采矿有限公司( 欧洲最大的煤炭公司) 和南非的英格 威煤炭公司等三家公司使用不同型号的连续采煤机进行开采，产煤量 约占总产量的五分之一以上。 美国是使用连续采煤机最多、使用效果最好的国家。全国各大煤 炭公司共有2 0 0 0 多台连续采煤机，其采用短壁机械化采煤法的产量在 井工采煤中直处于领先地位 3 - 6 1 ，8 0 年代中期占共工产量的7 0 以 上。近年来，由于长壁综采的发展，连续采煤机开采的产量有所回落， 但1 9 9 9 年产煤量为2 2 1 亿吨，仍占井工煤炭总产量的5 3 【7 l 。在美 国，连续采煤机掘进平均班迸尺6 0 米，日产煤2 0 0 0 吨，有些高产工 作面日进尺可达1 0 0 米，月产量达1 0 万吨。 英国井工开采一直以长壁为主，巷道掘进主要靠悬臂式掘进机， 但自从8 0 年代后期使用连续采煤机开采取得良好的效益以来，用连续 采煤机掘进已经成为英国煤巷掘进的主要方法之一，约占总掘进量的 6 5 。 南非和澳大利亚两国根据各自的煤层地质条件，在传统的房柱式 开采基础上成功地开发出了旺格维利和西格玛两种短壁采煤方法f & 钔， 扩大了连续采煤机的应用范围，提高了资源回收率。其中，南非全国 约有2 3 0 多台连续采煤机用于房柱式开采，其产量约占并工总产量的 9 0 1 1 们。 德国使用连续采煤机在海底煤层开采已有4 0 多年的历史，效果显 著，其中有5 个工作面一直保持2 0 0 万吨的年产量。另外，印度和加 拿大等国家使用连续采煤机进行短壁开采，也取得了很好的经济效益。 1 1 2 连续采煤机在我国的使用情况 我国从2 0 世纪7 0 年代中期开始引进连续采煤机，大体分为以下 两个阶段： 8 0 年代为第阶段，以单机引进为主，共引进3 2 台。这些连续 采煤机在山西、陕西、山东、黑龙江等一些煤矿试验，探索性地使用 连续采煤机进行房柱式采煤法，有些矿井取得了成功的经验，有些矿 井的使用效果不好 7 1 。由于这些设备不配套，备件供应困难，设备维 护和技术管理跟不上等原因，现基本上已停止使用。 9 0 年代以来为第二阶段，以配套引进为主，神东公司和黄陵矿区 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 先后引进了2 7 台连续采煤机及其配套设备。1 9 9 5 年大柳塔矿最高月 进尺就已经到达1 0 5 l 米。2 0 0 0 年以后，运用1 2 c m l 8 1 0 d 连续采煤 机和运煤车在1 8 m2 断面掘进中，平均月进尺在2 0 0 0 米以上，榆家粱 煤矿月进尺2 7 0 5 米，创造了2 0 0 2 年世界记录。上湾煤矿采用旺格维 利采煤法，2 0 0 2 年4 月2 0 日，两套连续采煤机日产原煤1 0 2 2 0 吨。 同年，该矿用连续采煤机与连续运输系统等设备配套，在短壁综采工 作面年生产原煤2 1 9 万吨；用连续采煤机与运煤车等设备配套，在短 壁综采工作面年生产原煤1 0 1 万吨，均创造了同类机型2 0 0 2 年的世界 最好成绩，同时工作面回采率达7 0 以上，节约了宝贵的煤炭资源。 2 0 0 3 年1 月，上湾矿使用连续运输系统作为连续采煤机的配套设备实 现煤巷掘进4 6 5 6 米的好成绩1 9 1 2 。 在国内，虽然短壁机械化开采技术逐渐成熟，连续采煤机的使用 日益增多，但目前我国各研究机构和煤机制造企业还没有开发、研制 成功连续采煤机，没有成套国产化的连续采煤机供煤矿使用。煤炭科 学研究院太原分院初步完成连续采煤机的设计方案，开发出与连续采 煤机相配套使用的x z 7 0 0 0 2 4 4 5 型履带行走支架、l y l 5 0 0 8 6 5 1 0 型 连续运输系统和g p 4 6 0 1 1 5 0 型履带行走式给料破碎机。这些连续采煤 机的配套设备在神东矿区、兖州矿区使用时，有些性能达到了国际水 平 1 1 】。 1 2课题研究的重要意义 我国煤炭资源分布广泛，地质条件复杂多样。经过3 0 多年的综合 机械化开采，适合长壁开采的规则煤田越来越少，而“三下”压煤、 残留煤柱和不规则煤的煤炭储藏量多达上百亿吨，长壁开采难以进行， 不开采又必将对我国煤炭资源造成极大的浪费【3 14 1 。短壁开采技术能 很好的解决这一问题，但短壁开采所使用的连续采煤机及其配套设备 全部需要从国外进口，截齿、滚筒等易磨易损件更需要大量进口，这 必然要影响生产效率、增加吨煤成本。虽然我国的普通滚筒采煤机研 制技术比较成熟，但对于连续采煤机的研制却处于起步阶段，缺乏必 要的基础研究工作。 连续采煤机通常由截割机构、装载机构、履带行走机构、液压系 统、电控系统、冷却喷雾除尘系统及安全保护装置等部分组成。其中， 截割机构是连续采煤机的重要部件之一，一般包括两个外滚筒、一个 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 先后引进了2 7 台连续采煤机及其配套设各。1 9 9 5 年大柳塔矿最高月 进尺就已经到达1 0 5 1 米。2 0 0 0 年以后，运用1 2 c m l 8 - 1 0 d 连续采煤 机和运煤车在1 8 m2 断面掘进中，平均月进尺在2 0 0 0 米以上，榆家梁 煤矿月进尺2 7 0 5 米，创造了2 0 0 2 年世界记录上湾煤矿采用旺格维 利采煤法，2 0 0 2 年4 月2 0 日，两套连续采煤机f t 产原煤1 0 2 2 0 吨。 同年，该矿用连续采煤机与连续运输系统等设备配套，在短壁综采工 作面年生产原煤2 1 9 万吨；用连续采煤机与运煤车等设各配套，在短 壁综采工作面年生产原煤l o l 万吨，均创造了同类机型2 0 0 2 年韵世界 最好成绩，同时工作面回采率达7 0 以上，节约了宝贵的煤炭资源。 2 0 0 3 年1 月，上湾矿使用连续运输系统作为连续采煤机的配套设备实 现煤巷掘进4 6 5 6 米的好成绩9 “”。 在国内，虽然短壁机械化开采技术逐渐成熟，连续采煤机的使用 日益增多，但目前我国各研究机构和煤机制造企业还没有开发、研制 成功连续采煤机，没有成套崮产化的连续采煤机供煤矿使用。煤炭科 学研究院太原分院初步完成连续采煤机的设计方案，开发出与连续采 煤机相配套使用的x z 7 0 0 0 2 4 1 4 5 型履带行走支架、l y l 5 0 0 8 6 5 1 0 型 连续运输系统和g p 4 6 0 1 5 0 型履带行走式给料破碎机。这些连续采煤 机的配套设备在神东矿区、兖州矿区使用时，有些性能达到了国际水 平 1 i 】。 1 2 课题研究的重要意义 我国煤炭资源分布广泛，地质条件复杂多样。经过3 0 多年的综合 机械化开采，适合长壁开采的规则煤田越来越少，而“三下”压煤、 残留煤柱和不规则煤的煤炭储藏量多达上百亿吨，长壁开采难以进行， 不开采叉必将对我国煤炭资源造成极大的浪费【3 4 1 。短壁开采技术能 很好的解决这一问题，但短壁开采所使用的连续采煤机及其配套设备 全部需要从国外进口，截齿、滚筒等易磨易损件更需要大量进口这 必然要影响生产效率、增加吨煤成本。虽然我国的普通滚筒采煤机研 制技术比较成熟，但对于连续采煤机的研制却处于起步阶段，缺乏必 要的基础研究工作。 连续采煤机通常由截割机构、装载机构、履带行走机构、液压系 统、电控系统、冷却喷雾除尘系统及安全保护装置等部分组成。其中， 截割机构是连续采煤机的重要部件之一，一般包括两个外滚筒、一个 截割机构是连续采煤机的重要部件之一，一般包括两个外滚筒、一个 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 截割链( 或中间滚筒) 。连续采煤机工作在煤或半煤岩条件下，工作面 煤岩分布不均、性质多变，具有很大的随机性。截割机构直接作用在 煤岩上，截割时呈悬臂状态，滚筒受力复杂，截割载荷变化大，容易 引起机器较大的振动，从而降低了机器传动件和连接件的使用寿命， 影响了机器工作的可靠性，并且增加了维修工作量和吨煤成本。因此 说，对连续采煤机工作机构的研究是整机设计的基础。通过对工作机 构上载荷状况的研究，找出其结构参数及运行参数对煤炭品质、生产 效率和载荷波动等的影响关系，搞清连续采煤机截割的关键技术，为 建立其工作机构的设计理论和方法，为研发适合我国煤层地质条件的 国产连续采煤机，以及建设高产高效的现代化矿井和发展国民经济具 有重要意义【1 3j 。 1 3 研究的主要内容 连续采煤机主要用于煤巷掘进和房柱式开采，工作条件复杂，开 采介质包括纯煤、煤岩、包裹体和夹石层。本论文主要包括以下三部 分： 第一部分，研究包裹体和夹石层的煤层特征及其在煤层中的分布 规律，建立包裹体分布规律的数学模型，实现对其分布形式的模拟。 第二部分，以镐形截齿的单个截齿受力分析为基础，分析滚筒在 截割纯煤、岩石和包裹体时的载荷大小及其作用形式，建立切削含有 包裹体和夹石层煤层的随机载荷模型；研究截割机构的几何参数和运 动参数对截割载荷的影响规律。 第三部分，建立以连续采煤机的截割比能耗、生产效率、载荷波 动和煤炭品质为目标函数的多目标优化模型，以对上述四个目标函数 影响显著的滚筒结构参数和运动参数为设计变量，并根据实践经验和 截割机构的工作条件确定约束条件。 由于该模型是一个多目标、多变量、具有混合约束条件优化模型， 按常规的求解方法很难有效地求出全局最优解。本文借鉴生物的自然 选择和遗传进化机制的思想，采用遗传算法，使用群体搜索技术，对 初始种群进行选择、交叉、变异等一系列遗传操作，逐步使群体进化 到包含或接近最优解的状态，从而避免单一搜索效率不高或者使搜索 过程陷于局部最优解的错误状态。 辽宁工程技术大学硕士学位论文5 2 包裹体在煤层中的分布及其模拟研究 2 1 煤岩中的包裹体及其对截割机构的影响 煤是由古代植物遗体经过复杂的物理化学变化形成的，这期间又 经历了地球的几次变迁，因而，现在的煤岩结构一般比较复杂。有些 煤层中含有一层或多层比煤炭强度高的其它矿物成分，这就是岩石夹 层。岩石夹层有粘土质，炭质，泥板岩或粉砂岩，一般砂岩和石灰岩 比较少见。有些煤层中含有球形、椭圆形或其它不规则形状的坚硬矿 物一一包裹体，包裹体中含有碳酸盐类，硫化物类( 黄铁矿) 或硅化 物类等矿物。 由于煤层中包裹体的形状、大小、分布位置以及硬度随着煤田、 煤层、矿井及其工作面的不同而不同，具有很大的随机性。截煤时滚 筒单个截齿上的作用力随着所遇到的介质的变化丽变化，这种力的突 变容易造成截齿过度磨损或折断，使连续采煤机在钝齿状态或缺齿状 态下工作，从而增大了机器的截割能耗，增加了吨煤的生产成本。由 于单齿受力的不确定性，使得滚筒上的载荷和力矩表现出很大的波动 性，使机器在截割过程中产生很大的振动，影响连续采煤机工作的稳 定性，给生产带来了一定的安全隐患。同时，这种波动降低了传动件、 联接件和密封件的使用寿命，增加了机器的维修、维护成本。 以前对滚筒载荷多按均匀煤体、无包裹体的理想条件进行研究， 不能真实、全面地反映实际截割情况，使得所设计的采煤机的某些部 件在使用过程中达不到预期的寿命。因此，在设计连续采煤机截割机 构时除要考虑恒力对滚筒的影响，更要考虑截割过程中随机因素带来 的不利影响。 2 2 煤岩中包裹体的测定及其分布规律 2 2 1包裹体的测定及评价方法 为了评价工作面煤层中含有岩石夹层的含量及其性质，必须测量 出整个煤层厚度、纯煤和矸石小分层的厚度，确定岩石夹层的岩石类 别及其抗切削强度。 为了确定煤层中包裹体的含量，一般采用平板测量方法，对工作 面表面上的包裹体进行测定。对厚度大于l e m ，长度大于5 e r a ，面积 大约5 e r a 2 的所有包裹体，都要进行统计。测量的内容包括有：包裹体 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 的成分、形状、长度、厚度以及它们在工作面表面上的位置。 煤层中包裹体的特征，可用下列平均值描述：单位含量( ) ，横 断面积( c m 2 ) ，线性尺寸( 长度、厚度，c l n ) ，单位数量( 个1 0 0 m 工 作面) 。某矿区4 个矿井煤层的岩石夹层含量和包裹体特征的统计数字 如表2 1 和表2 2 所示 1 4 1 。 表2 1某矿区4 个矿井煤层的岩石夹层含量( ) 单位含量横断面积长度厚度单位数量 ( )( c m 2 ) ( e r a ) ( c m ) ( 个l o o m 工作面) 2 2 2 包裹体的分布规律 从单个矿区包裹体的分布特征来看，包裹体的各项特征指标显现 出很大的随机性，大量的统计结果1 1 4 15 1 表明，包裹体的特征指标呈一 定规律的随机分布，其分布规律如下： ( 1 )包裹体的长度一般服从置信度为0 9 8 的指数分布规律( 如图 2 1 所示) ，很少有特大块的包裹体，存在这种现象时，则服从w e i b u l l 分布； 6 口 芒4 0 斟 骚 已0 0 04 0日01 2 d1 6 04 0 长度讯 图2 1井下煤层包裹体长度的三种典型分布曲线 从统计数据来看，包裹体的厚度不遵从任何己知的分布规律 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 ( 如图2 2 所示的厚度分布的直方图) 。由于包裹体的厚度较长度小 得多，而截齿在切削时通常又与包裹体成一定的角度，因此，在包裹 体厚度较小的情况下，可认为其服从指数分布，其它情况时服从 g a m m a 分布或w e i b u l l 分布； 长度c 珂 长度锄 图2 2 井下煤层包裹体厚度分布的直方图 ( 3 )从顶板到每个包裹体中心的距离近似服从正态分布或均匀分 布。 2 3 包裹体的模拟研究 由上述可知，包裹体在煤层中的分布大体呈现一定的统计规律， 这为研究连续采煤机截割机构在复杂煤层中的截齿受力和滚筒载荷提 供了可能。根据这些统计规律，在对截割机构设计和使用前，可对破 碎介质进行计算机模拟。 2 3 1复杂煤层模拟过程中的几点假设 为对非确定性的硬质包裹体进行研究，确定其形状大小和空间位 置，可作如下几点假设： ( 1 )任一硬质包裹体在煤层中的位置用笛卡尔坐标系o x y z 表 示，其空间极限尺寸为工作面长度x 。x 、宽度y 。；和高度z m a x ： ( 2 )任一包裹体所处空间的位置由其重心坐标表示，即第i 个包 裹体的重心坐标为x i 、y i 和z i ： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 ( 3 )假定所有包裹体的几何形状为旋转椭球体，其长轴a i 和b ， 相等，且平行于x o y 平面，a i 轴、b i 轴的方向分别与x 轴和y 轴同 向； ( 4 )用模拟随机量x i 、y i 、z i 和a i 来描述硬质包裹体及其尺寸在 煤层中的分布规律。 2 3 2 包裹体各轴尺寸及重心的确定 尽管统计结果显示包裹体的尺寸及其分布具有一定规律的随机 性，但由于受统计数据的限制，不能完全反映其真实状况的随机性。 因此，为比较全面地反映包裹体在煤层中的分布，可采用均匀分布、 正态分布、指数分布、w e i b u l l 分布、g a m m a 分布和b a t a 分布等六种 形式来描述其分布特征。 2 3 2 1 长轴尺寸4 和e 由假设17 1 可知，包裹体的长轴4 和曩相等，以下只求4 尺寸。 ( 1 )均匀分布 首先产生( 0 - 1 ) 之间的第i 个均匀随机数n ，然后按下式确定长轴 尺寸4 。 4 = n 4 。( 2 1 ) 式中 k 一一所有包裹体中长轴最大的尺寸。 ( 2 )正态分布 对于正态分布的包裹体长轴尺寸，可按( 2 2 ) 式确定。 4 = d l 房+ e ( 2 2 ) 式中盯。一一包裹体长轴正态分布的方差； e 。一一包裹体长轴正态分布的数学期望 n 一一正态分布的随机数。 ( 3 )指数分布 在( o 1 ) 之间产生第f 个均匀分布随机函数n ，根据指数函数的分 布函数可确定服从指数分布的长轴尺寸 4 ：一些丛 。 e 式中 只一一服从指数分布的长轴数学期望。 ( 4 )w e i b u l l 分布 服从w e i b u l l 分布的概率密度函数为 ，( x ) = 筇x 纠e 一一，“ o ， o ，x o 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 式中口、p - - - - - 与该分布下与图形位置和形状有关的参数，它们与 数学期望日和方差关系为 目= d r ( ，+ 吾- ，钆= 口2 r ( - + 砉 一 r ( + 爿 2 c 2 一s ， 对于服从w e i b u l l 分布的长轴尺寸，可通过如下变换求得 式中n 一一( 0 1 ) 之间的均匀随机数。 ( 5 ) b a t a 分布 有些情况缺少充分的统计数据，很难较为准确地描绘包裹体的分 布模型，由于b a t a 函数的参数取不同值时形状变化很大( 如图2 3 所示) ，因此可以考虑采用b a t a 函数来建模，以便适应包裹体随机分 布的特点。b a t a 函数的概率密度函数为 小) = 端一( 1 _ 圹1 ，o 矧( 2 _ 7 ) 式中 r 、j 一一参变量，其与数学期望e 和方差o - a 关系为 耻鬲r 产万赫( 2 q ) f ( ，。 3 d 芑5 已口 1 5 土a n 5 口 an 2仉4a 丘d 丑2 1 1 x ；闰尹 z 形：。1 酽：n 一 图2 3b a t a 分布的密度函数 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 在b a t a 分布下，长轴的尺寸为 4 2 孝 式中 肛、岛+ 。一一( o 一1 ) 之间两个独立的均匀随机数。 ( 6 ) g a m m a 分布 有些时候，长轴服从g a m m a 分布，其分布函数为 m ) 2 南 一舵”一( 2 - - 1 0 ) 式中系数傀、与数学期望易和方差叽关系为 卢2 每 当口为正整数时，长轴的尺寸为 4 = 脊剀伊，芍 式中 n 一一( o 1 ) 之间的均匀随机数。 当1 2 为实数，= 1 时，根据有关定理【1 7 】，可确定长轴的尺寸为 4 = 1 n ( 尼) + 卫( 2 1 3 ) 式中7 1 一一口的整数部分； 届一一( o 1 ) 之间的均匀随机数； t 和咒一一按b a t a 分布产生的两个随机数。 当口、卢均为实数时，令，7 = ，则由有关定理可知，叩为g a m m a 分布的随机变量。其中，d 的分布函数为 p 。兰，) = f 而x 。- 1 e 一。出( 2 1 4 ) 按照式( 2 1 0 ) ，即可求出口、为任意实数时长轴的尺寸。 2 3 。2 2 短轴尺寸e e 的产生，可以按下面两种情况来考虑。 ( 1 ) c i 与4 无关 这时，c 与4 的产生原理相类似，按独立同分布形式产生。 ( 2 )c j 与4 有关 壁 = 盯 辽宁工程技术大学硕士学位论文 两者的产生存在一定的关系，满足下列关系式 q = m + p + c ：( 2 - 1 5 ) 式中p 、七一一两者相关的参变量； e 一一服从某种分布的数学期望。 2 3 2 3 包裹体的重心坐标 包裹体重心的坐标( 薯，咒，弓) 可根据其分布形式，按照长轴产生 的办法，在最大工作面范围内随机生成。 2 3 3 模拟程序设计 为了实现对滚筒上随机载荷的模拟，需先完成煤层中包裹体的模 拟。根据上述分析和假设，按照前一小节产生包裹体重心坐标和各轴 向尺寸的方法，基于m a t l a b 平台编制模拟程序，其程序框图如图2 4 所示。 i 输入煤层尺寸参数 i 输入雠体攀量 i及分布形式 i 输入相应分布的 i 数学期望及方差 i l 产生均匀分布的随机数 l 计算并输出包裹体的 l重心坐标及备辅尺寸 i l 画包裹体兰维分布图 图2 4 煤层中包裹体的模拟程序框图 2 3 4 模拟示例及结果分析 在设计连续采煤机截割机构时，破碎介质的性质和构造特征一般 要由假定条件给出，而在使用时，则可由实际测得。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 利用编制的模拟程序，对假定的工作面按照上述六种分布进行模 拟，包裹体在煤层中的分布如图2 5 所示。模拟示例中所使用的具体 参数如下： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 3 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 图2 5 包裹体在煤层中的分布 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 5 工作面的极限尺寸参数可按连续采煤机一个工作循环确定： 瓦。= 4 2 0 c m ；。21 0 0 e r a ；z 1 。24 0 0 c m 。 包裹体的数量：n = 4 0 。 包裹体服从各种分布的参数：e a = 1 5 ：盯。= 4 。 包裹体长轴最大尺寸和平均尺寸：k = 1 0 c m ；屯= 6 e r a 。 由图2 5 所示的模拟结果可以看出，在切削条件、数学期望及方 差相同的条件下，包裹体服从的分布不同，其在煤层中的重心位置和 形状尺寸有很大差别。对于均匀分布，包裹体均布于整个模拟工作面， 包裹体的体积比较均匀；正态分布时，包裹体为层状分布，或呈波浪 状分布，且大小较为均匀：在指数分布下，包裹体在煤层空间分布不 均，体积差异较大，有较多呈水平分布的片状物存在；服从w e i b u l l 分布的包裹体，在某一区域内分布比较集中，大小较为均匀，但在整 个煤层空间包裹体体积差异较大；对于b a t a 分布的包裹体，由于分布 函数参数的选择不同，其在工作面内分布的形式和大小也不同，它可 以模拟多种分布形式，因而，b a t a 分布适合模拟缺乏包裹体详细统计 数据的煤层；服从g a m m a 分布的包裹体，虽然体积差异较大，但能较 为均匀的集中在煤层工作面内的某一范围内。 表2 6 、表2 7 和表2 8 分别为上述分布中的部分模拟数据， 从这些数据中可以进一步看出，对于均匀分布的包裹体，其重心在模 拟工作面内分布均匀；对于其它几种分布，按给定条件进行模拟时， 包裹体的重心完全按所服从的分布规律分散在模拟煤层空间，绝大部 分包裹体分布在模拟工作面内，只有极个别包裹体某轴向尺寸超出工 作面，这主要是按照包裹体重心的统计规律进行模拟的结果，实际截 割时也有类似情况。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表2 6 服从均匀分布的包裹体模拟参数 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 表2 7 服从w e i b u l l 分布的包裹体模拟参数 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表2 8 服从g a m m a 分布的包裹体模拟参数 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 9 3 截割机构上随机载荷的模拟研究 由于破碎介质的非均匀性，包裹体在煤层中分布的不确定性，因 此，可以把滚筒破碎煤岩的过程看作是一个随机过程。连续采煤机工 作时，煤层中硬质包裹体和岩石夹层很容易使截齿过渡磨损、失效， 甚至折断。只要滚筒上有一个截齿被严重破坏，就会造成同一截线上 相邻截齿的工况恶化，载荷增大，加剧了其它截齿的损坏程度。对截 割机构上的随机载荷进行模拟研究，能够预先了解不同工况下随机载 荷对截割机构的影响，以便采取相应措施消除和降低因截齿失效和机 器过度振动而造成的经济损失。 3 1 单个截齿的力学模型 3 1 1 镐形齿破煤的机理 通常，连续采煤机截割滚筒上使用镐形齿。对于镐形截齿的破煤 机理，各国学者进行了不同程度的研究。 日本学者西松按照岩石力学理论中的库仑一莫尔准则，提出煤岩 破裂面是从刀具切削刃开始并沿着与切削面成一定夹角的方向向上发 展。虽然这一理论被美国和西欧一些国家采用，但由于实际煤岩破坏 现象中的断裂线很少出现他所假设的直线情况，因此，该理论的应用 受到一定程度的限制。 我国有些学者从断裂力学的观点出发，认为煤体在受力状态下， 内部裂隙的扩展是导致煤体破碎的直接原因。规定裂隙的扩展分三种 类型：张开型、滑开型和撕开型，其中张开型对裂隙的扩展起主要作 用。 苏联学者别隆认为，截割煤岩时，在截齿和煤岩的接触处的很小 范围内产生很高的应力，当接触应力达到某一极限值时，煤岩开始局 部被压碎成很细小的粉末，形成煤粉密实核。部分煤粉密实核以很高 的速度从截齿的前刀面排出，从而使压碎范围不断扩大，由于煤粉密 实核具有停滞区，可使小块的煤岩体从整体煤岩中剥落出来，形成煤 块。研究表明，密实核的发展过程具有跳跃性，通常在一个崩落单元 内只有一个密实核，形成密实核的条件及其尺寸与截齿的几何形状和 切削制度的参数有关【l “。苏联学者的观点被我国所普遍接受。 3 1 2 镐形截齿的力学模型 根据截齿破煤机理，各国学者对镐形齿的受力进行了深入的研究。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 0 3 1 2 1英国学者建立的截齿力学模型 英国学者伊万斯等人对镐形齿破煤的力学特性和断裂模式深入研 究后认为 埔一9 j ：镐形截齿截割时在煤岩表面形成一连串的圆锥形小 块，其截面大致呈v 形，圆锥形的顶角不随切削制度的变化而变化， 只与煤岩的性质有关。在此基础上，伊万斯给出了图3 1 所示的截齿 受力模型。 图3 1镐形齿受力 假设煤岩的最终破坏是由截齿与煤岩接触表面的拉应力引起的， 且镐形齿轴线垂直于煤岩表面，通过积分得截齿表面所受的水平阻力为 p ：如：型，k n ( 3 1 ) 。 c o s 口 式中口一一煤岩破碎前，弹性位移的极限值，截齿即进入煤岩内的 最大半径； 盯，一一煤岩表面的张应力； 一一截齿的切削深度； 妒一一煤岩锥角的一半。 从另一方面来看，截齿所受得水平阻力又与齿尖附近得煤岩抗压强度 有关 p = 7 9 a 2 0 y ，k n ( 3 2 ) 式中盯。一一煤岩表面的抗压强度。 将( 3 2 ) 式带入( 3 1 ) 式中，得到截齿水平阻力为 p ；哗，k n ( 3 3 ) o v c o s9 3 1 2 2 前苏联学者建立的截齿力学模型 前苏联学者经过大量的试验，总结出了截齿在截割纯煤和岩石时 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 1 截割机构各参数与截齿受力之间的关系模型 2 0 - 2 3 1 。 1 )截割纯煤 对于新截齿，齿尖比较锋利，其上的作用力有： ( 1 ) 截割阻力z n z o = 1 0 a 器b 母k 南，k n ”( 3 - - 4 ) 式中j 一一工作面煤层非压酥区的平均截割阻抗，n m m ； d 一一镐形齿直径，m m ； 丑一一煤岩的脆性程度指数。韧性煤b o ，x 0 ( 3 3 1 ) 截齿上切削力的相关函数为 r ( r ) = 盯2 p d 7 ) ( 3 3 2 ) 式中盯一相应分布函数的均方差； 口一衰减系数。 截割阻力和牵引阻力的相关系数屯= o 6 7 - - o 8 5 ；侧向力与其它 切削阻力之间的关系不大，疋= r 。= 0 0 7 8 o 2 7 1 。 由于g a m m a 分布难以很好的在工程实践中应用，一般用两个平稳 随机过程的瑞利分布和z 2 分布来代替，则得到截齿的力学模型为 截割阻力z ( t 1 z ( f ) 2 去+ z ，k n ( 3 - 3 3 ) 式中c r r 一一服从g a m m a 分布的截割阻力均方差； z 一平均截割阻力。 牵引阻力r ( t 1 晰) = 卜乙( r ) + 孵删壕也k n ( 3 _ 3 4 ) 式中2 ；( f ) 一一两个独立的平稳随机过程之和，即乙( f ) = 磊( f ) + 轰( f ) ； 仃。一一服从该分布的牵引阻力均方差； 一一服从瑞利分布的牵引阻力均方差； r 一平均牵引阻力。 侧向力x ( t 1 x ( r ) = e z x - z ( r ) + 石，k n ( 3 3 5 ) 式中z 一平均侧向阻力。 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 7 3 3 截割机构上随机载荷的模拟 由于采煤机工作时滚筒上的载荷随时间和空间的变化而变化，载荷 变化较为平稳时，滚筒的受力比较均匀，截齿及其它传动件、联接件处 于正常的脉动力作用，机器振动较小，各零部件处于正常的磨损状态。 当部分截齿突然遇到岩石夹层或硬质包裹体时，齿尖受力急剧增大，滚 筒工作在大的脉动力下，致使机器产生很大的振动，加速了截齿的损耗 或失效，降低了其它零部件的使用寿命。为此，生产中通过改变截割机 构的运行参数来减小随机载荷对机器使用性能的影响 2 5 - 3 0 1 。 为了能够更加直观地反映出滚筒上的载荷随工作条件的变化情 况，在前面建立的截割机构载荷模型的基础上，基于m a t l a b 平台，编 制随机载荷的模拟程序来模拟截割机构上的截割载荷。 3 3 1 程序模拟中的几点问题 前面几节的数学模型是在实践的基础上抽象出来的，在对截割机 构截割过程的模拟中还应考虑其它方面的具体问题。 3 3 1 1纯煤层和岩石层的模拟 滚筒截割纯煤或岩石层时，单个截齿受力均匀，滚筒上载荷变化 是由处于截割区内截齿数量的多少及排列方式引起的。因此，可按截 割相应材料的力学模型进行模拟。 3 3 1 2 岩石夹层的模拟 岩石夹层一般呈条带状分布于工作面，与煤层的走向基本一致。 夹石层有时出现在工作面上部，有时出现在中间或底部，没有任何规 律，夹石层的数量也不确定。模拟时，可根据矿区的地质资料假定出 夹石层出现的位置和个数。滚筒切削到夹石层时，可按截割岩石的力 学模型模拟。 3 3 1 3 包裹体的模拟 尽管包裹体在煤层中以随机形式出现，但对于确定矿区的煤层， 它的尺寸、形状及位置是固定的。模拟时作以下假定