（机械设计及理论专业论文）纵轴式掘进机截割不同对象的载荷模拟及优化设计.pdf

辽宁工程技术大学硕士学位论文 摘要 本文先在镐形截齿单齿受载荷波动和生产效率为分目标函数建立 优化模型，以对上力分析的基础上，建立截割含有包裹体和夹石层煤层 的随机载荷模型。其次，模拟得到了截割机构截割不同对象的载荷变化 规律和功率变化情况。最后，以煤炭生产的综合经济效益为总目标函数， 以掘进机的截割粉尘量、比能耗、述四个耳标函数影响显著的截割头结 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m a t l a b 7 ，0 1 工具箱中遗传算法对在不同截割对象下 的截割头结构参数和运动参数进行了优化设计。 通过分析得出掘进机进行生产时，应根据不同介质选择相应的机器 进行截割，这样避免了资源的浪费或不足，保证了煤炭生产企业获得最 大的经济效益。 关键词：纵轴式掘进机；截割机构；模拟；参数：优化设计 本论文内容选自：辽宁工程技术大学科学研究基金项目：掘进机动力学行为研 究 辽宁工程技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i r s t l y ，b a s i n go na n a l y z i n gt h ef o r c e so nap i c k ，t h i st h e s i ss e t su pt h er a n d o m l 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 el o t so fp a r c e l sa n ds e v e r a lr o c k s o a l n s s e c o n d l y ，t h r o u g hs i m u l a t i o n , g e t st h ec h a n g i n gl a wo fl o a da n dp o w e rw h i l e t h ec u t t i n gm a c h i n ec u t sd i f f e r e n to b j e c t s f i n a l l y , t h e o p t i m i z a t i o n m o d e li s e 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 cb e n e f i to fc o a lp r o d u c t i o na st o t a lt a r g e t f u n c t i o n , a n dt a k e sc u t t i n gd u s tq u a n t i t y 、s p e c i f i cd e n s i t yc o n s u m p t i o n ，l o a d f l u c t u a t i o na n dp r o d u c t i o ne f f i c i e n c yo fr o a d h e a d e ra ss u b o b j e c tt a r g e tf u n c t i o n ，a n d t h e nr e g a r d ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dm o v i n gp a r a m e t e r so f c u t t i n gh e a dw h i c hh a v ea s t r o n gi n f l u e n c eo nf o u rt a r g e tf u n c t i o n sd e s c r i b e da b o v e 嬲d e s i g nv a r i a b l e a n df i x e s o nc o n s t r a i n e dc o n d i t i o na c c o r d i n gt ow o r k i n gc o n d i t i o n sa n dp r a c t i c a le x p e r i e n c eo f c u t t i n gm e c h a n i s m ，a n du s e sg e n e t i ca l g o r i t h mi nt o o l b o xo fm a t l a b7 0 1t oo p t i m i z e s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa n dm o v i n gp a r a m e t e r so fc u t t i n gh e a df o rd i f f e r e n tc u t t i n g o b j e e t s t h r o u g ha n a l y s i s ，w ec a ng e tao u t c o m et h a tw h i l er o a d h e a d e ri sw o r k i n g ， c o r r e s p o n d i n gm a c h i n es h o u l db ec h o s e na c c o r d i n gt od i f f e r e n tm e d i a , a n di nt h i sw a y , w a s t ea n dd e f i c i e n c yo fr e s o u r c e sc a nb ea v o i d e d ，s oe n s u r e st h a tc o a le n t e r p r i s e sc a n o b t a i nt h em o s te c o n o m i cb e n e f i t k e yw o r d s ：l o n g i t u d i n a la x i a lr o a d h e a d e r ；c u t t i n gm e c h a n i s m ；s i m u l a t i o n ；p a r a m e t e r ； o p t i m i z a t i o nd e s i g 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的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果：本文在镐形截齿单齿受力分析的基础上，建立截 割不周对象的随机载荷模型，模拟得到了截割机构截割不同对象的载荷 变化规律和功率变化情况，最后以煤炭生产的综合经济效益为总目标函 数，以掘进机的截割粉尘量、比能耗、载荷波动和生产效率为分目标函 数建立优化模型，采用m a t l a b 7 0 1 工具箱中遗传算法对在不同截割对象 下的对截割头影响显著的结构参数和运动参数进行了优化设计。优化结 果对掘进机的设计和生产有很强的指导意义。 尽我所知，到目前为止国内外文献未见报道。 作者： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1我国纵轴式掘进机的设计现状 纵轴式掘进机的截割机构最主要部件是截割头，它是掘进机工作机 构的核心部件，其性能的好坏直接影响掘进机的整机性能及工作质量。 评价截割头性能的参数主要包括生产率、截割比能耗、截割硬度、截割 载荷波动系数、截齿使用寿命、落料块度或粉尘率等等f i 】。 截割头是掘进机上最复杂的部件，截齿是截割头直接作用于矿岩的 零件，对截割头及截齿的设计需要考虑重多参数，从整体上，包括截割 头形状参数、尺寸参数、截割头的摆动速度、自转速度等，从局部上， 包括截齿的形状、尺寸、材料、齿座的形式以及截齿在截割头上的排布 形式、空间角度关系等；另外还需要考虑截齿的空间运动参数、截割参 数、截割受力情况及截割头的整体受力情况等。这些参数不仅复杂，而 且往往又是相互联系相互制约的，因此，截割头的设计从来就是悬臂掘 进机设计的最难点 2 h 3 。 多年来，国外许多国家都非常重视掘进机的截割基础理论研究，前 苏联通过大量试验分析，从截割过程中截齿及工作机构的载荷变化研究 影响其载荷大小变化的因素，并努力将研究成果用于指导设计；英国及 德国等在掘进机截割试验的基础之上，通过分析研究，寻求截割机构的 优化设计及方法。人们在不断的探索改善掘进机截割性能、减少截齿损 耗、降低动载荷、提高整机可靠性、增加有效工作时间、提高工作效率 的途径和方法。 我国对掘进机的研制是从引进国外的掘进机及技术开始的，由于诸 多原因，对掘进机的截割理论研究比较缺乏，国内悬臂掘进机生产主要 停留在对引进型号的仿制、改型水平上。 从掘进机自身考虑，导致这种现象发生的原因主要有三点：第一， 截割头自身非常复杂，特别涉及到岩土破碎理论，说不清楚的地方很多， 导致纯理论研究难于进行；第二，悬臂掘进机属大型昂贵设备，进行样 机试制及试验需要大比经费，这就决定进行试验研究的阻力巨大；第三， 对掘进机的研究关键在于对截割过程的研究、对截齿与矿岩问相互作用 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 的研究，而在截割头或截齿上难于布置传感器，另外矿岩的性能具有很 强的随机性，特定试验结果一般不具有普遍性，这就在试验研究的方法 选择上对人们提出了挑战【4 h 6 1 。 虽然存在诸多困难，由于采掘业及建筑业的发展，市场上对掘进机 的需求急剧增加、对掘进机的性能要求提高，国内对掘进机的研究也出 现了高潮。继承方面，对从国外引进的掘进机进行了全面的研究，包括 从整体性能到具体的截割头形状，尺寸、截齿的形式排布等；理论方面， 分析了截割头的运动规律、截齿的运动规律、截齿与矿岩的作用过程、 截齿的受力等；试验方面，一方面进口掘进机的工程应用提供了宝贵的 数据，一方面也进行了具有特定目的的现场试验及模拟试验。 对掘进机的各项研究取得了丰硕的成果，应用到实际中，使我国设 计制造出了高于引进性能的掘进机。但目前国内生产的掘进机只相当于 国外七八十年代的产品，与国外的差距还很大。因此对掘进机，特别是 对一机万能用的错误的传统观念应给予理论证实。 1 2 论文的主要研究内容及意义 本论文主要包括以下三部分： 第一部分，以单个截齿受力分析为基础，分析截割头在截割纯煤、 包裹体和夹石层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，建立截割头受力载荷模型，作为后续载荷模 拟的理论支撑。 第二部分，分析截割头在截割纯煤、包裹体和夹石层时的载荷大小 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，分析产生不 同截割功率的原因。 第三部分，建立以掘进机的截割粉尘量、截割比能耗、载荷波动、 生产效率为目标函数的多且标优化模型，以对上述四个目标函数影响显 著的截割头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，进而对截割不同对象时进行优化。 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， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 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。 传统观念认为只要一机在手，便可包揽天下，其实这是错误的。工 作机构是掘进机的重要部件之一，而截割头是掘进机的截割机构。掘进 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，截割头 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，针对不同介质的煤岩要用不同的掘进 杌，这是本论文的主要工作。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截割粉尘、生产效率和载荷波动等的影响关 系，搞清掘进机截割的关键技术，为建立其工作机构的设计理论和方法 和建设高产高效的掘进机以及发展国民经济具有重要意义。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 2 截割机构上载荷模型的建立 2 1 研究载荷的必要性 由于破碎介质的非均匀性，包裹体等物质在煤层中分布的不确定 性，因此，可以把截割头截割煤岩的过程看作是一个随机过程。掘进机 工作时，煤层中硬质包裹体和岩石夹层很容易使截齿加剧磨损、失效， 甚至折断。只要截割头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 机构上截割不同对象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，而且可以充分了解同一机型截割不同对 象时的变化及影响，以便采取相应措施降低经济损失，进而尽早恢复掘 进机整机截割性能。 2 2 截齿的受力分析 截割头是掘进机的截割执行部件，依靠其上面的截齿对矿岩施加截 割作用力。因此截割头受力即所有截齿受力之矢量和。 在掘进机的截割过程中，截齿要受到挤压力、磨擦力等作用，所有 力在截割方向、进给方向及侧向分解，即可得到截割阻力、进给阻力和 侧向力，如图2 1 所示。 v 图2 1 截齿的受力分解 由截割头的运动分析可知，截齿截割过程主要是纵向进给过程、水 平摆动过程和垂直摆动过程。无论截割头处于何种工况，截齿受力情况 辽宁工程技术大学硕士学位论文 均相似，即均受截割阻力c 和进给阻力e 及侧向力e 。另外，根据掘进 对象的不同，截齿受力经验计算公式也不同，而且，即使对同一种矿岩， 截齿受力的经验公式也有多种，这里根据就煤与煤岩的分类，采用广泛 应用的一种方法来计算截齿的受力1 7 h ”。 2 2 1 截割煤时截齿的受力计算 对于锐乖j 的截齿： 截割阻力巴： f 。= 1 0 文i f 麦淼啊毛k 吒砖c o s 毛( 2 1 ) 进给阻力r ： 只= 吒兄( 2 2 ) 对于磨钝的截齿： 截割阻力e ： f ：, = - 1 0 艮品鬻k 蝴俩s q 堋0 8 s + u ) ( 2 s ) 进给阻力只： f = 1 0 以话了0 夏3 弄5 b 百+ 丽0 3 f - 南k 屯屯c o s q + 以。鼬+ 牡) ( 2 4 ) 侧向力乃： 死= 乃气鼍+ 白) 詈q - 5 式中： 兄一截割头在第f 个截齿上的截割阻力； e 一截割头在第f 个截齿上的进给阻力； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 6 巴一截割头在第f 个截齿上的侧向阻力； 以一矿岩的接触强度，按表2 1 确定。 表2 - - i 矿岩的接触强度 西一截齿切削部分的计算宽度，对于镐形齿有b = ：d ，d 为刀杆直径； 一第f 个截齿的截线与第i + 1 条截线之间的距离( r a m ) ； 鬼一第i d - 截齿截割煤岩的切削厚度( r a m ) ，按下式计算： 瑰= h m , s i l l ( 仍) ( 2 - 6 ) 式中： ，k 是截齿的最大切削厚度( m m ) h , f f i , ：6 x 1 0 4 v b ( 2 7 ) n m 式中： 一截割头水平摆动速度( m s ) ； 所一同一截线上安装截齿数； 疗一截割头转速( r ，r a i n ) ； t 为脆性程度系数，取值见表2 2 。 表2 2 煤的脆性程度系数 k l 为工作面裸露系数，取值见表2 - - 3 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表2 3 工作面裸鼯系数 其中：k 一最佳切削厚度，c m ，取值见表2 4 。 一最优平均t 作面裸露系数，取值见表2 4 表2 4 最佳切削厚度及最优平均工作面裸露系数 k 一截齿前刀面形状影响系数，镐形齿一般取o 8 5 o 9 ； 一截齿切削图影响系数，取值见表2 5 表2 - 5 截齿切削图影响系数 乞一切削角影响系数，取值可以根据回归公式( 3 1 8 ) 计算r 也可以 从表2 6 中查取： 丸= o 5 鳄一0 5 8 9 十o 6 ( 2 - 8 ) 表2 6 切削角影响系数 t 一第f 个截齿工作区的压松系数； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一截齿的扭转角； 一截齿截割运动的阻力系数，一般取0 4 ； 艿一煤岩的单轴抗压强度，m p a ； ，一磨钝截齿端面在截割平面上的投影面积，m m2 ，镐形齿可近似 取为：s = 1 0 2 0 ： 扯一煤体受压状态的参数，m p a ，脆性煤取3 0 ，粘性煤取3 5 ； q 、如、岛一截齿排列方式系数，见表2 7 。 表2 7 截齿排列方式系数 吒一锐利截齿截割阻力与进给阻力之比，粘性煤取o 7 ；脆性煤取 0 6 ；极脆性煤取o 5 l l o h l 2 i 。 2 2 2 截割煤岩时截齿的受力计算 截割阻力元： 对于磨钝的截齿： 兄= 以k 局局( o 2 5 + 0 0 1 配啊) + o 1 f 卜( 2 - 9 ) 对于锐利的截齿： 兄= 8 r k i k 2 k 3 ( 0 2 5 + 0 0 1 8 t , h j ) ( 2 1 0 ) 迸给阻力e ： 日= & 【o 8 k 2 k , ( o 2 5 + 0 0 1 8 t ，红) + o 2 5 f ”( 2 1 1 ) 侧向力瓦： 兄2 圮百薏+ 6 ) 等( 2 - 1 2 ) 墨一截齿形式的影响系数，按不同的截齿取值： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 k l = 1 5 ，对于镐形截齿( 回转式) ； k = 1 0 ，对于径向截齿( 非回转式) 。 疋一截齿的几何形状影响系数，按下式计算： 岛= 瓦k b k ，对于镐形截齿； 砭= 局疋，对于径向截齿。 疋一硬质合金刀头形状的影响系数，取值见表2 8 。 表2 8 硬质合金刀头形状的影响系数 硬质合金刀头形状 圆锥形 双圆锥形 角锥形 1 o 1 1 o 9 5 k b - - t j 杆头形状的影响系数，取值见表2 9 。 表2 9 刀杆头形状的影响系数 刀杆头形状 圆锥形 角锥形 1 0 o 8 k 一硬质合金刀头直径的影响系数，取值见表2 一l o 表2 一l o 硬质合金刀头直径的影响系数 畅一截齿截割刃宽度的影响系数，按下式计算： 髟= o 9 2 + 0 0 1 b ，( 2 - 1 3 ) b 一截齿截割刃宽度( m m ) ； 疋一截齿前面影响系数，按不同形状取值： 丘= l ，截齿前面为平面形； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 尼= 0 9 5 ，截齿前面为椭圆形或楔形： 丘一切削角的影响系数，按表2 6 取值。 f 一磨钝截齿端面在截割平面上的投影面积m m2 ，镐形齿可近似取 为：f = 1 0 2 0 f 1 3 | h 1 ”。 2 3 截割机构的载荷模型 2 3 1截割机构上的平均载荷 根据所建立的截齿受力模型，可以计算出截割机构的瞬时载荷。它 在第f 个位置上受力情况如图2 2 所示。 截割头上第f 个截齿三个方向的分力为： 置= - f s i n 伊j 一乃c o s 识( 2 - 1 4 ) 影= 一只c o s f , + 兄s i n e , ( 2 - 1 5 ) z ，= b ( 2 - 1 6 ) 式中： 疋、日、巴一分别表示第f 个位置截齿所受的截割阻力、牵引阻力 和侧向力； 仍一截齿的位置角。 在此位置上，截割头三个方向的实际作用力为 n r = 互( 2 - 1 7 ) ：壹髟( 2 1 8 ) 奶：兰z ，( 2 1 9 ) _ 一处于截割区的截齿数。 其圆周力、负载扭矩和截割功率分别为： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ：壹兄( 2 2 0 ) 肘刁：兰瓦( 2 2 1 ) 吒一第f 个截齿的工作半径。 p ：2 生。( 2 - 2 2 ) 1 5 9 2 r zi 图2 2 截割头受力分析 通常，截割头载荷的波动大小用载荷变差系数来表示，它等于载荷 盂的均方差盯。与均值岛的比值，即 胪 ( 2 - 2 3 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 而均值和方差分别由下式求得： 所以有： o r x 2 o r2 ( 2 2 4 ) 乓= 上n j 壹j 。r ，( 2 - 2 5 ) i 两，盯母= ，= j i - 而i，仃如=ij亏j-丽i e r x = 瓦1 笔n r ”， 三个方向的合力矩为： = 古善如，= 古喜屹 m f = 置l r z 一只4 l z r ( 2 - 2 6 ) m r = r 眷l z r 一盂= 口【履( 2 - 2 7 ) m z = 五母l x r 一如厶t ( 2 - 2 8 ) 式中上灯、如、三。、三z 、坛、易一截割头合力作用点的力臂，其值 为： 艺五c o s 纯 如= 生百一 置忍 一o j 2 气 z s i i l 仍 k = 生i 一 辽宁工程技术大学硕士学位论文 艺蜀 2 。 缸如仍 k = 旦f 铂c o s 纯 易2 且f 其中：e 一第f 个截齿到裸露煤壁的距离，m m 。 2 3 2截割机构上的随机载荷模型 掘进机截割时，截割头上的载荷是在各种复杂的且在空间上不断变 化的因素影响下形成的，其中伴随有大量的难以预测的随机因素一方面， 煤岩的抗截强度沿巷道宽度和长度方向是随机变化的；另一方面，煤层中 含有的岩石夹层和硬质包裹体，其形体尺寸和位置也是随机分布的，当截 齿与其相遇时，导致截齿、截割头及传动部件损坏此外，由于截割头截割 的特点，在截割过程中截齿的瞬时切屑厚度经常改变，而且截齿的磨损程 度也在不断变化，因此，截齿上的载荷是上述全部因素的随机函数，而截 割头的载荷应按照随机过程来考虑因为截齿在其截割路径上的时间很 短，其前后的环境和主要物理条件变化不大，所以可以把截齿的载荷看成 一个平稳的随机过程，而截割头的载荷就是截齿随机载荷的叠加呻h 埘。 研究结果表明，单个截齿上的截割阻力和牵引阻力服从g a m m a 分 布。 g a m m a 函数的概率密度为： m ) 2 南疗肛砧o ( 2 - 2 9 ) 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 ( f ) ： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 z ( ，) = 乙( f ) + z ( 2 - 3 0 ) 式中：z ；( f ) 一由两个独立的平稳随机过程获得，即z 0 ( f ) = 卣( ，) + 磊( f ) ： 1 7 。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 ： y ( r ) = c r r k 。乙( f ) + 踊o ) j + r ( 2 - 3 1 ) 式中：q 一随机过程啦) 的标准差； 矗 一截割阻力和牵引阻力的相关系数r 玎= o ，6 7 o 9 5 ； ，7 ( f ) 一为均值= o 、标准差b = l 的独立正态随机数序列； r 一平均牵引阻力。 侧向力x ( f ) ： x o ) = 吃。z ( f ) + x ( 2 - 3 2 ) 式中：震硝一侧向力和牵引阻力的相关系数= o 0 7 8 o 2 7 1 ； z 一平均侧向力。 以上就是各载荷的数学模型，它为后续研究截割不同对象的载荷模 拟提供了理论依据。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 掘进机截割不同对象的载荷模拟 3 1包裹体在煤层中的分布及研究呻h 2 l 】 3 1 1 煤岩中的包裹体对截割机构的影响 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。截煤时单个截 齿上的作用力随着所遇到的介质的变化而变化，这种力的突变容易造成 截齿过度磨损或折断，使掘进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，使得截割头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，影响整机工作的稳定性。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，使得所设计的掘进机的某些部件在使用 过程中达不到预期的寿命。因此，在设计掘进机截割机构时除要考虑恒 力对截割头的影响，更要考虑截割过程中随机因素带来的不利影响。 3 1 2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1 9 m ，长度大于5 c m ，面积大约 5 c m 2 的所有包裹体，都要进行统计。测量的内容包括有：包裹体的形状、 长度、厚度以及它们在工作面表面上的位置。 3 1 3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，大量的统计结果表明，包裹体的特征指标呈一定规律的 辽宁工程技术大学硕士学位论文 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； ( 2 ) 从统计数据来看，包裹体的厚度不遵从任何已知的分布规律。 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； ( 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。 3 1 4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 为研究掘进机截割机构在复杂煤层中的截齿受力和载荷提供了可能。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。 3 1 4 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 。、宽度y 。和高度z 。； ( 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 j 和z i ； ( 3 ) 假定所有包裹体的几何形状为旋转椭球体，其长轴a j 和b i 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。 3 1 4 2包裹体各轴尺寸及重心的确定 由于服从g a m m a 分布的包裹体，能较为均匀的集中在煤层工作面 内的某一范围内，所以在此用g a m m a 分靠形式来描述其分布特征。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 ( 1 ) 长轴尺寸4 和置 由假设可知，包裹体的长轴4 和忍相等，以下只求4 尺寸 长轴服从g a m m a 分布时，其分布函数为 巾) = 南砖o ( 3 - 1 ) 式中：系数口、声与数学期望邑和方差乃关系为 口：丝，：冬( 3 - 2 ) o - ao a 当口为正整数时，长轴的尺寸为 4 = 车( 一半) “s 剐 式中岛一( o 一1 ) 之间的均匀随机数 当口为实数，= 1 时，根据相关定理，可确定长轴的尺寸为 4 = 1 1 1 ( 岛) + 葺乃( 3 - 4 ) 式中：r 一口的整数部分； 尼一( o i ) 之间的均匀随机数； 五和咒一按b a t a 分布产生的两个随机数。 当口、均为实数时，令】7 2 ，则由有关定理可知，7 为g a m m a 分布的随机变量。其中，d 的分布函数为 p 啡，) = f 雨x a - i e 一。出( 3 - 5 ) 按照分布函数，即可求出口、为任意实数时长轴的尺寸。 ( 2 ) 短轴尺寸e g 的产生，可以按下面两种情况来考虑。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ) c j 与4 无关 这时，g 与4 的产生原理相类似，按独立同分布形式产生。 2 ) c 与4 有关 两者的产生存在一定的关系，满足下列关系式 c f = 地+ p + g 式中p 、j 一两者相关的参变量； 妃一服从某种分布的数学期望。 ( 3 ) 包裹体的重心坐标 包裹体重心的坐标( 一，”，刁) 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。 3 1 5模拟程序设计 为了实现随机载荷的模拟，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3 一l 所示。 l输入煤层尺寸参数 i l翁 包裹体数量 l及分布形式 i i输入相应分布的 l 数学期望及方差 i i 产生均匀分布的随机数 i l 计算并输出戗体的 重心坐标及各轴尺寸 i l 面包裹体三雉分布图 图3 一i煤层中包裹体的模拟程序框图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 1 6模拟示例 利用编制的模拟程序，对假定的工作面按照g a m m a 分布进行模拟。 模拟示例中所使用的具体参数如下： 工作面的极限尺寸参数确定如下： 工2 4 0 0 e m ；y 嘣= 1 0 0 c m ；z o = 4 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 = 1 5 ；= 4 。 包裹体长轴平均值：如= 1 0 c m 。 包裹体在煤层中的分布如图3 2 所示 图3 2包裹体在煤层中的g a m m a 分布图 3 2截割机构上随机载荷的模拟 由于掘进机工作时截割头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，截割头的受力比较均匀。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 辽宁工程技术大学硕士学位论文 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， 截割头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。 为了能够更加直观地反映出截割头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截割不同对象的载荷1 2 2 h 。 3 2 1模拟程序中的几点问题1 2 5 h 2 7 1 前面介绍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与具体产生的问题相结合。 3 2 1 1纯煤层和岩石层的模拟 截割纯煤或岩石层时。单个截齿受力均匀，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 2 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。切削到夹石层时，可按截割岩石的力学模型模拟。 3 2 2 模拟程序的算法 按照任一时刻截割头处于某一位置时的载荷计算方法，把截割头连 续旋转的一周分成若干个离散点，然后逐点计算，就可得到截割头载荷 的连续变化曲线，即载荷谱。选取的离散点数越多，计算的结果就越准 确，但计算量也随之增大反之，如果离散点数取得太少，虽然计算量 小、速度快，但可能造成模拟结果与实际情况不符。所以，离散点的个 数应合理选取。设所选离散点的个数为，则模拟时间为： r ：兰! ( 3 - 6 ) m 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 l 时间步长( 即时间间隔) 为： 岔：三( 3 - 7 ) 图3 - 3 随机载荷模拟程序框图 辽宁工程技术大学硕士学位论文 取截割头进行截割的任一时刻为起始时刻( r - o ) ，以厶f 为时间步长， 分别计算在不同时刻各参与截割截齿的受力及各对应时刻截割头的载 荷，即可求得截割头载荷的模拟曲线。根据所建立的数学模型和上述分 析，编制了截割头截割时的载荷模拟程序，如图3 3 所示。 首先，根据地质条件输入煤层中包裹体的数量和分布形式以及夹 石层的数量和位置参数，模拟出截割机构的假想工作面。其次，输入截 割机构的几何参数和运动参数，研究特定参数下截割头的受力情况。然 后，计算出处于截割区内的截齿齿尖每一单位时间的位置坐标，判断截 齿是否与夹石层相遇。若相遇，判断截齿与夹石层的接触形式，调用截 割头截割岩石的计算模型。若不与夹石层相遇，则进一步判断是否与包 裹体相遇，如相遇，判断齿尖与包裹体的接触形式，调用截割头的随机 载荷计算模型。否则，按均质煤体计算截割头载荷及力矩。最后，输出 截割头三个方向的载荷和力矩曲线及数据结果。 模拟程序可以实现对任意旋转周期内截割机构上的载荷及力矩的 模拟 3 3载荷模拟示例及结果验证瞄h 州 3 3 1载荷模拟示例及分析 以j s b z l3 2 型悬臂式掘进机为例，对其截割机构用上一节所编制的 程序进行模拟。模拟时所使用的参数如下： 掘进机截割机构的几何参数和运行参数：平均直径d = 7 5 0 r a m ， 截割头长度三= 6 3 0 m m ，最大掘进高度- = s i n ；最大掘进宽度b = 6 m ；转 速开= 3 6 r r a i n ，悬臂摆速v b = 2 m r a i n ，截割功率为1 3 2 k w ，截割机构的 截齿排列如图3 4 所示。 煤岩的性质参数：中等硬度褐煤；夹石层为一层粗粒砂岩，沿煤层 走向，夹石层上下限坐标分布为：z 。= 4 0 0 c m ，z j , = 3 6 0 c m ：包裹体为 硫化物类，以g a m m a 函数形式分布，包裹体长轴的均值尺寸为1 0 c m ， 数量为4 0 个( 图3 - - 2 所示) 。 图3 5 、图3 6 和图3 7 为截割头在同一工作面不同破碎介质条 件下的模拟曲线。图3 5 为截割头截割纯煤时载荷和力矩曲线，图3 辽宁工程技术大学硕士学位论文 一6 为截割头截割煤与包裹体时载荷和力矩曲线，图3 7 为截割头截割 夹石层时载荷和力矩曲线。表3 1 为破碎不同介质时截割头载荷及力 矩模拟曲线的变化值。 图3 4j s b z l 3 2 型掘进机的截齿捧列 由模拟曲线可知，无论截割头处于何种截割状态，截割头上的载荷 及力矩都是变化的，而且存在载荷波动，这主要是由于不同时刻处于工 作区内的截齿数量不同以及煤岩的构造特征和物理性质决定的。在相同 的截割条件下，破碎介质的截割阻抗越大，截齿上的作用力就越大，从 载荷曲线可以看出，截割夹石层时的载荷远大于截割纯煤时的载荷。截 割煤层中的包裹体时，由于包裹体体积相对较小、数量较少，截割头上 的大部分截齿切削纯煤，尽管每一转内只有少数截齿截割包裹体，但在 截割包裹体过程中，由于截齿上瞬时截割阻力增大，截割头上的载荷会 出现大幅度变化，产生波动现象，波动的频率与截齿遇到包裹体的位置、 数量以及成分有关。从三种载荷曲线可以看出，无论破碎介质的截割阻 抗多大，当材质较均匀时，载荷波动较小，当破碎介质中舍有其它成分 时，载荷波动相对较大。 由于纵轴式掘进机大部分时间是在摆动截割，所以本文模拟的是横 切时的载荷曲线，从理论上截割头的轴向力胄，应较小。因此，无论破碎 介质的抗切削强度如何变化，载荷曲线上截割头的轴向力远小于其它方 向的力，载荷波动也较小。从载荷曲线图中看出，阻碍截割机构摆动方 辽宁工程技术大学硕士学位论文 向的阻力研最大，沿掘进机方向的阻力矗。次之，截割机构克服这两个方 向的阻力主要用于从煤岩体上剥落煤块，说明截割头上主要的能量都消 耗在截割煤岩上。 从力矩图上可知，破碎介质不同，截割机构上的力矩值也不同，破 碎介质的抗切削强度越大，截割机构上的力矩就越大。当破碎介质变化 时，力矩产生较大的波动。截割纯煤时，阻碍截割机构摆动方向的力矩 最大，且处于不同位置时力矩波动较大；沿截割机构轴线方向的力矩最 小，力矩波动也较小。截割夹石层时，沿截割机构轴向的力矩最大，其 它方向的力矩较大，三个方向的力矩波动大。截割包裹体时，沿截割机 构轴向的力矩最大，沿截割机构摆动方向的力矩最小，但该方向力矩波 动最大。 因此，采用同一机型截割不同对象会产生很大改变的载荷和力矩， 这样会影响掘进的整体性能的发挥和工作效率。 表3 一l 给出了截割头截割不同介质时，载荷及力矩的最大值、最 小值和变差系数。变差系数随破碎介质的强度、硬度和脆性的不同而不 同，介质越硬、脆性越大，变差系数就越大。尽管截割不同介质时载荷 及力矩最值不同，但截割同种介质时，载荷的变差系数较小，截割不同 介质时，载荷的变差系数较大。 表3 2 给出了截割不同介质时截割功率变化情况表，从表中可以 看出，随着介质的性质改变，截割功率也在不断的变化，即介质的硬度 增加，截割功率也相应的要增大，但截割较软介质时，截割功率浪费了 额定功率的3 4 6 5 ，而截割夹石层时却不足额定功率的1 2 。由此可以 看出，一台机器并不能截割多种介质煤层，它可能由于截割软煤层而浪 费了机器的截割功率；它也可能由于截割较硬介质而导致功率不足，但 不论怎样，都会导致掘进机的截割性能的降低，从而影响了掘进机的综 合经济效益 辽宁工程技术大学硕士学位论文 蚕 飞 岳 壶 壶 6 0 4 0 2 0 o 2 0 0 - 2 0 a 力曲线 t ( s ) b 力矩曲线 图3 - - 5截割纯煤时截割头载荷和力矩曲线 gn：邕宴-岂毒三 辽宁工程技术大学硕士学位论文 再。翼 1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 蔓4 0 0 蟹 宴2 0 0 凄 。 岛0 0 4 0 0 - 6 0 0 8 0 0 a 力曲线 00 51 01 52 0 2 5 3 03 54 0 b 力矩曲线 图3 6 截割煤与包裹体时截割头载荷和力矩曲线 焖 娴 辽宁工程技术大学硕士学位论文 、矾m 棚似。恤 叫 ，n 帆协忡 00 51 01 52 02 53 03 5 4 0 a 力曲线 b 力矩曲线 图3 7 截割夹石层时截割头载荷和力矩曲线 t o ) 盘艺龋、d塞喜正 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表3 1 截割不同介质时截割头载荷模拟曲线的变化值 力厉 参数 纯 煤煤与包裹体夹石层 r x ( k n ) 最大值 最小值 均值 7 3 2 5 8 - 2 9 5 4 2 1 2 1 2 6 5 3 2 9 6 6 3 8 1 1 3 0 5 3 6 2 8 0 3 6 5 7 8 3 1 8 8 3 4 - 4 0 6 7 3 8 4 6 2 5 6 2 9 3 6 5 变差系数 o 2 0 3 7o 2 6 7 5o 2 4 5 3 矩 m z ( k n m ) 最大值 最小值 均值 5 8 8 6 5 - 1 6 9 8 6 1 10 8 8 9 3 7 5 0 1 9 6 3 5 4 7 6 8 5 4 6 6 7 5 9 4 2 2 4 5 7 8 5 2 4 - 3 2 1 7 4 5 9 8 3 0 5 4 9 2 1 7 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表3 2 截割不同煤体时功率变化值 3 3 2 模拟结果验证 图3 8 是实测的j s b z l 3 2 型悬臂式掘进机的载荷曲线。该掘进机 的结构参数和运动参数与模拟时的参数相同，煤岩为中等硬度的烟煤， 煤层中含有少量的包裹体，其成分多为硫铁矿物与泥质岩的混合物。 蚕 配 壶 盘 图3 8 j s b z i3 2 型掘进机截割头的载荷实测曲线 通过对图3 6 模拟曲线和图3 8 实测曲线的分析比较可以看出， 实测曲线明显比模拟曲线的的波动程度大，实测曲线中毋和胄：两个方向 的阻力均高于模拟曲线中的各向阻力，而也方向的阻力略低于模拟值 这主要是因为实际工作时掘进机悬臂的摆动速度、截割头转速以及煤层 o 枷 姗 枷 啪 。 瑚 枷 姗 枷 姗 - - - - 辽宁工程技术大学硕士学位论文 的截割阻抗并非恒定值，且掘进机受多种因素影响振动较大，所以造成 实测曲线变化剧烈。而模拟时，上述各值按固定值选取，按照统计规律 人为地给出了煤岩的构造模型，且忽略了其它一些因素的影响，因此， 使得模拟曲线与实测曲线略有不同。 虽然模拟曲线和实测曲线从数值上有所差异，但从曲线所反映的规 律上看，模拟曲线与实测曲线的变化规律基本一致，随着破碎介质的不 同，模拟曲线呈周期性变化，载荷的波动随破碎介质的强度、硬度及均 匀程度的不同而不同。因此，模拟曲线能够较真实地反映掘进机截割机 构切削时的受力情况。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3 1 4 截割机构参数优化 截割机构是掘进机承受外载的部件，它的各项参数指标直接影响着 掘进机的工作效率、生产成本、机器零部件的使用寿命以及工作面环境。 因此，对截割机构参数进行优化设计是设计高质量掘进机的必要手段。 4 1 截割机构优化模型的确定原则 4 1 1截