（机械设计及理论专业论文）滚筒采媒机螺旋滚筒的参数优化设计研究.pdf

_，f謦l，i s u p e r v i s o r ： a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h a n gz h e r l w e i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 f e b r u a r y2 0 0 8 m e t e r =lleill哥_n，囔q 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经 发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：7 磊中 日期：刎g 享莎 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用 学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： j l 东北大学硕士学位论文摘要 滚筒采煤机螺旋滚筒的参数优化设计研究 摘要 滚筒采煤机是目前综采工作面最主要的工作设备，螺旋滚筒作为滚筒采煤机的关键 部件和工作机构，其性能好坏决定着采煤机的工作性能和生产效率。因此，建立截齿和 螺旋滚筒的力学模型，对螺旋滚筒载荷进行仿真，并对螺旋滚筒相关参数的优化设计， 具有较大意义。 论文概述了煤岩的机械性能、截割机理及截割过程；建立了单齿和螺旋滚筒的力学 模型，并利用计算仿真软件m a t l a b 对螺旋滚筒的载荷进行了模拟仿真；利用有限元 分析软件a n s y s 对截齿进行静力有限元分析，得到截齿在截割煤岩过程的受力和变形 情况，并分析截齿的失效原因，提出提高截齿的可靠性和寿命的措施；利用a n s y s 对 螺旋滚筒与摇臂整体进行动力有限元分析，得到螺旋滚筒与摇臂整体在截割过程中的振 动频率，得出其固有频率及各阶振型，并分析模态振型；在分析螺旋滚筒受力的基础上， 利用m a n ，a b 中的优化工具箱对螺旋滚筒的相关参数进行优化分析。 通过上述各项分析与研究，所得结论为采煤机螺旋滚筒的静动力有限元分析，对螺 旋滚筒有关参数的选择，以及提高螺旋滚筒的截割性能和采煤机的工作性能提供了一定 的方法和理论依据。 关键词：采煤机；镐型截齿；有限元分析；螺旋滚筒； 参数优化； i i ， j ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n r e s e a r c hf o rp a r a m e t e r o ft h es h e a r e rs c r e wd r u m a b s t r a c t a tp r e s e n t ，s h e a r e ri st h eu p p e n n o s tw o r ke q 【u i p m e n ti nf i l l l y - n i e c h a l l i z e dc o a lw o r k i n g f a c e ，t l l es c r e wd n h ni ss h e a r e r sp i v o t a lp a r ta n dw o 越n g 缸匝e w o 咄i t sc 印a b i l 埘s t a l l d 0 r f a l ld e c i d es h e a r e r sw o r kp e r f o n i l 狮c e 锄dp r o d u c t i o ne 伍c i e n c y s oi t i ss i 盟i 丘c a i l tt o e s t a b l i s hp i c ka l l ds c r e wd n h n sl o a dm o d e l ，s i i i 】【u l a t es c r c l wd m m sl o 越a i l do p t i i i l i z ed e s i 印 f o rp a r 锄e t e r so f m es c r e wd r u m t h i sp 印e rd i s s e r ta _ t ec o a la n dr o c km a c l l i n ec a p a b i l i t y 、c u t t i n gt l l e o 巧、c 眦i n gp r o c e s s ；t o e s t a b l i s hs i n 9 1 ep i c ka i l ds c r e wd m m sl o a dm o d e l ，a 1 1 ds i i i l u l a t es c r i 唧由u 1 i l sl o a db y m a t l a b ；n l r o u g l lp i c k sa 1 1 a l y s i ss t a t i c f i i l i t ee l e m e n tb yu s i n go fa n s y s ，g a i np i c k s s 骶s sa n dt r a n s f i g u r a d o ne s t a t ei nc u t t i n gc o a la n dr o c kp r o c e s s ，a i l d 锄a l y z ep i c k sd i s a b l c d r e a s o n ，b r i n gt h em e a s u r et 0i n l l ) r l w ep i c k sc r e d i b i l i 够眦dl i f e ；t h r o u 曲m ee 而r e n e s so f s c r e wd n l m 锄d 瑚百n ga r m sa n a l y s i sd y n 锄i c a lf i i l i t ee l e m e n tb yu s i n go f a n s y s ，g a i nt h e e i l t i r e n e s so fs c r e wd 1 1 1 ma n d 姗昏n ga n n sv i b r a t i o n 五峙q u e l l c ya n ds 例啪lv i b r a t i o nf o m ， a 1 1 d 舭a l y z em o d ev i b r a t i o nf o 肌；o p t i m i z e ds c r e 、d n l m sm 曲j a l 竹p 姗吼e t e r sb ym a k i n g u s eo f m em a t l a b so p t i m l l mt o o l b o xo nm eb 嬲i so f m es c r e wd n l ml o a d 1 h r o u g ha ：b o v er n u t i l a l i 够a n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，t h e s ec o n c l u s i o n sp r o v i d em e t l l o d sa n d t h e o r yr e f e r 吼c e 研s c r e wd n 蛐s 锄a l y s i ss t a t i c a 1 1 dd y i l a m i c a l 伍l i t ee l 锄e n to fm em e s h e 嬲，m u t l 】a l i 够p a r a m e t e r s ss e l e c t i o no f t h es c r e wd r u m ，姐dm 哇 r o v e m e n ts c r e 、d m m s c u t t i n gc a p a b i l i t ya i l ds h e a r e r sw o r kp e r f o 肌a n c e k e yw o r d s ：s h e a r e r ；p i c k ；f i i l i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； s c r e 、vd r u m ； p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n ； i i i 一 f 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 中文摘要i i a b s t i i a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 引言1 1 2 国内外采煤机研究现状2 1 3 本课题的研究目的和意义3 1 4 本课题的主要研究内容及方法3 第2 章采煤机的截割机理5 2 1 采煤机截割机构5 2 2 煤岩主要机械性能6 2 2 1 煤岩强度6 2 2 2 煤岩坚硬度7 2 2 3 煤岩的截割阻抗7 2 2 4 煤岩的接触强度8 2 2 5 煤岩的摩擦和磨蚀性8 2 3 煤岩截割破碎过程及破煤机理8 2 4 本章小结1 0 第3 章螺旋滚筒力学模型及载荷模拟1 1 3 1 镐型截齿负荷数学模型1 1 3 1 1 锐利截齿平均负荷1 l 3 1 2 磨钝截齿平均负荷1 3 3 ，1 3 截齿的侧向力1 4 3 1 4 截齿的峰值负荷1 5 3 2 螺旋滚筒力学模型1 6 3 2 1 螺旋滚筒工作时截齿切屑厚度1 6 3 2 2 切屑厚度与截割阻力的关系1 7 3 2 3 螺旋滚筒受力分析1 7 3 3 滚筒载荷的计算机模拟18 3 3 1 滚筒载荷摸拟的实施步骤19 3 3 2 模拟程序的设计2 0 3 3 3 模拟程序的应用与结果分析2 1 一 东北大学硕士学位论丈 目录 3 4 本章小结2 3 第4 章镐型截齿有限元及失效分析研究2 5 4 1 镐型截齿结构特点2 5 4 2 有限元法及a n s y s 软件简介2 6 4 2 1 有限元法发展及应用2 6 4 2 2 有限元法简介2 6 4 2 3a n s y s 软件的简介2 7 4 3 镐型截齿有限元分析2 8 4 3 1 模型建立及网格划分2 8 4 3 2 约束及加载2 9 4 3 3 求解及结果分析3 0 4 4 镐型截齿失效分析及改进措施3 4 4 4 1 镐型截齿失效分析3 4 4 4 2 镐型截齿失效原因3 5 4 4 3 提高镐型截齿可靠性措施3 6 4 5 本章小结3 8 第5 章螺旋滚筒动力有限元分析3 9 5 1 动力有限元法简介3 9 5 2a n s y s 模态分析3 9 5 2 1 模态分析的发展及应用3 9 5 2 2 模态分析的基本理论4 0 5 2 3a n s y s 模态分析过程及方法4 1 5 3 螺旋滚筒整体有限元模型的建立及求解4 2 5 3 1 有限元模型的建立及网格划分4 2 5 3 2 设定边界条件及求解4 4 5 4 模态计算求解及结果分析4 5 5 5 本章小结一5 0 第6 章螺旋滚筒参数的优化设计5 1 6 1 优化设计概述51 6 2 螺旋滚筒的优化设计5 2 6 2 1 优化目标数学模型的建立5 2 6 2 2 约束条件的选取5 4 6 3 优化方法的选取及优化程序设计5 7 6 3 1m a t l a b 简介5 7 6 3 2m a t l a b 优化算法的几何描述5 7 v 一 ， ； 攻读硕士期间发表的论文7 3 v i i 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 随着中国经济的不断飞速发展，国内对能源的需求也在不断增加。在石油、天然气、 水力发电和核动力获得巨大发展的今天，煤炭在中国一次性能源消费结构中占7 0 以上， 仍是我国一次能源的主体。为使我国的国民经济快速、健康地发展，必须大力发展煤炭 工业，提高煤炭产量，以解决能源短缺的问题。采掘机械化是煤炭工业增加产量，提高 劳动生产率，改善劳动环境，保障安全生产的必要技术手段，也是煤炭生产过程中节约 能源、人力和原材料的有效措施。对煤炭开采企业来说，这就要求大力发展采煤的机械 化，提高工作面的推进速度，加大开采强度，建立高产高效综采工作面和高产高效矿井， 以解决我国的能源需求，促进社会发展! 高产高效矿井技术【l 】是当今世界采煤业发达国家普遍采用的一种较为先进的现代化 采煤技术和管理方式，也是衡量一个国家煤炭工业发达程度的主要标志。我国自上世纪 八十年代高产高效矿井技术起步以来，煤炭工业得到迅速发展和推广，采煤机作为高产 高效矿井综采设备的主要设备之一扮演了重要角色。 我国煤矿综合机械化采煤设备的研制水平【2 1 ，经过近几十年的引进技术、消化吸收 和自主研发，已有了长足的进步。综采放顶煤支架技术已处于国际领先水平；国产综采 设备的主要技术参数已接近或达到本世纪初的国际先进水平；国产综采设备的机电一体 化程度和可靠性水平已接近或达到上世纪9 0 年代中期的国际先进水平；目前，国内制造 的煤矿机电装备已成为我国煤矿工业技术装备的主体，为煤矿安全生产和高产高效矿井 的建设提供了可靠的保证。 自建国以来，我国的采煤机械的发展经历了从无到有、不断发展、日趋完善的过程。 采煤机的发展在国内的经历了多个发展时期，7 0 年代是我国综合机械化采煤起步阶段， 在不断引进国外先进采煤机械和技术的同时，进行吸收利用和仿制生产；8 0 年代是我国 采煤机发展的兴旺时期，采煤机的发展向系列化、大功率化、成套设备的完善化发展； 9 0 年代是采煤机新技术不断发展的时代，电牵引技术、多电机驱动、交流变频调速技术、 液压紧固技术、工况监测显示技术等不断发展；进入2 l 世纪，随着中国经济的发展和高 新技术的不断应用和发展，采煤机技术得到了飞速发展，本世纪初，大倾角电牵引采煤 机、短壁电牵引采煤机相继研制成功，标志着我国采煤机总体设计技术已处于国际先进 水平；能量回馈型四象限交流变频技术、中压开关磁阻调速、中压电磁调速、中压变频 调速等调速技术在采煤机的相继应用，标志着我国采煤机电气调速技术已接近国际水平。 从建国初到现今，我国采煤机技术的发展经历了从有链牵引到无链牵引；从机械牵 引到液压牵引再到电牵引；从单机纵向布置驱动到多机横向布置驱动；从单滚筒到双滚 - 1 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 筒；从小功率到大功率，并且不断的向遥控、遥测、智能化发展，其工作性能同臻完善， 生产率和可靠性进一步提高，工况自动监测、故障诊断以及计算机数据处理和数显等先 进的监控技术已在采煤机上得到应用。 回顾近年来我国采煤机发展的历程，我们走的是一条自力更生和仿制引进相结合的 道路，也是一条不断学习国外先进技术为我所用的发展道路。从6 0 、7 0 年代主要靠进 口采煤机来满足我国生产需要，到今天的国产采煤机几乎占领了整个我国煤炭市场，我 国的采煤机发展有了相当大的进步。 1 2 国内外采煤机研究现状 2 0 世纪6 0 年代，英国、德国、法国和前苏联等先后对采煤机的截割滚筒作了技术 改进，一是截煤滚筒可以在使用中调整其高度，完全解决对煤层赋存条件的适应性；二 是把圆形滚筒改进成螺旋叶片式截煤滚筒，极大地提高了装煤效果。这种改进就使滚筒 采煤机成为现代化采煤机械的基础。 目前国内外使用的采煤机械主要是可调高的双滚筒采煤机【3 】，这种经过改进的滚筒 采煤机，可追溯到长壁截煤机，是早期用于煤层底部掏槽的采煤机械。最早的滚筒采煤 机是在截煤机的基础上，将减速箱部分改成允许安装一根水平轴和截割滚筒而演变成的。 这种滚筒采煤机与可弯曲输送机配套，奠定了煤炭开采机械化的基础。早期的滚筒采煤 机主要有两方面的不足，一个是截煤滚筒的安装高度不能在使用中调整( 即所谓的固定 滚筒) ，对煤层厚度及变化适应性差；另外，截煤滚筒的装煤效果不佳( 即所谓的圆形滚 筒) ，限制了采煤机生产率的提高。 前苏联、英国、德国等是世界的产煤大国，所以他们对采煤机螺旋滚筒以及滚筒载 荷都进行不同程度的研究，而且研究的起步较早。特别是在5 0 8 0 年代成绩尤为突出。 5 0 年代的前苏联就开展了对煤的机械性质和抗切削强度的研究【4 】，对截齿截煤负荷的理 论计算进行了深入的探讨。6 0 年代，前苏联利用模拟计算机对采煤机工作机构破煤时的 实际负荷进行了模拟研究。英国对煤炭的破煤做了大量的实验研究和理论研究，提出了 本国的煤炭破煤理论。7 0 、8 0 年代，前苏联、英国在数字计算机上对螺旋滚筒及截齿上 的负荷进行了模拟研究。 我国采煤机从7 0 年代主要靠进口采煤机来满足我国生产需要，对采煤机的研究处于 引进、消化、仿制阶段。近年来，有关采煤机的论文和试验也越来越多，有很多以采煤 机实验系统模型为基础，从动力学、运动学、岩土力学的角度，对采煤机的性能进行了 全面研究，比如，适应有夹矸煤层的半煤岩采煤机的研制；增大块煤率的滚筒无级调速 研究；电牵引采煤机水介质调高及高压喷雾灭尘系统研究，包括利用工作面的乳化液作 为传动介质的调高系统研究；特殊条件下开采的采煤设备研究，如螺旋钻式采煤机的开 发；故障诊断、工况监测、显示及自动控制和自动调高系统的研究等。 2 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 本课题的研究目的和意义 机械化采煤的核心设备是采煤机，滚筒又是采煤机的工作机构，担负截煤和装煤的 任务。所以世界各国都对采煤机进行分析、研究与设计，除进行理论上的分析、计算外， 常常要对它的特性进行实验研究。其中，一种是在实际采煤机上进行，另一种是在物理 模型上进行。由于安全性、经济性和可行性方面的考虑，在实际采煤机上进行往往不宜 办到。然而采煤机螺旋滚筒的工作过程比较复杂，影响因素较多，很难用一个理想的物 理模型进行深入的研究。此外，设计、制造一模型需要花费较大代价，周期也较长；进 行准备工作量也较大，且只能对该参数的模型进行研究。因此，用先进的计算机技术对 采煤机螺旋滚筒的负荷进行模拟研究。这种模拟方法就是将实际采煤机螺旋滚筒工作过 程的运动规律及负荷特性用数学形式表达出来，然后用计算机求解。它可以对同一类型 的各种采煤机进行模拟研究。 目前，国内外已有的研究大都是针对刀形齿滚筒。而现今新型采煤机上大多使用镐 型截齿，如9 0 年代以来，我国先后从美国凯南麦特公司引进镐型齿滚筒，鸡西煤机厂也 在生产镐型齿采煤机滚筒。而目前对采煤机镐型截齿和螺旋滚筒的载荷的计算机模拟研 究较少，难以指导螺旋滚筒的分析、设计和改进，这也是我国采煤机滚筒的使用寿命低 的重要原因。所以对采煤机镐型截齿的受力情况进行研究，以及对整个螺旋滚筒的动力 有限元分析，对螺旋滚筒进行优化设计研究，对煤炭生产向着高效高产方向发展具有一 定实际意义和经济价值。 1 4 本课题的主要研究内容及方法 本课题利用有限元软件a n s y s 对采煤机螺旋滚筒单个截齿进行静力有限元分析， 以及整个螺旋滚筒的动力有限元分析。通过对单个截齿的载荷分析，建立其力学模型， 从而得到整个滚筒的载荷模型，根据整个螺旋滚筒的载荷模型，建立载荷波动系数模型， 以载荷波动系数、截割比能耗作为优化目标，利用m a t l a b 软件编写优化程序，对螺 旋滚筒的相关参数进行优化设计。 本课题通过对滚筒采煤机螺旋滚筒的研究，通过以下几个方面对此种采煤机螺旋滚 筒进行分析研究： ( 1 ) 螺旋滚筒工作截齿的静力有限元分析。采煤机的工作环境非常恶劣，因此在采 煤机截割煤岩的过程中，其主要工作机构螺旋滚筒的强度和受力情况研究显得尤为重要， 由于螺旋滚筒是通过截齿来截割破落煤岩的，截齿是螺旋滚筒直接参加工作的部件，因 而对其分析应从单个截齿的受力进行分析。因此对采煤机截齿进行静力有限元分析是很 有必要的。在工作过程中，截齿为了能够顺利的破碎煤岩，需要具有一定的强度；同时， 截齿的破坏形式以磨损破坏为主，故应具有一定的耐磨损能力；通过对采煤机截齿的静 力有限元分析，得到截齿在截割过程中的得到截齿的受力情况，并分析其磨损失效原因， - 3 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 提出相应措施。本课题利用目前广泛使用的有限元分析软件a n s y s 对单个截齿进行静 力有限元分析，通过建立截齿的力学模型，得到有限元模型，通过划分网格，确定约束 和加载，分析得到最大受力位置和最大应变位置。根据分析结果，进一步分析其失效原 因，提出解决方案，为提高截齿寿命和工作的可靠性提供理论依据； ( 2 ) 整个螺旋滚筒的动力有限元分析。由于螺旋滚筒载截割煤岩过程中，螺旋滚筒 不断旋转，并和摇臂一起上下摆动，因而会产生振动，从而引起整个采煤机的振动，使 采煤机各传动部件联结螺栓松动，影响齿轮传动精度，加速减速箱内齿轮和轴承的破坏， 甚至引起整个机器的共振，因而对整个螺旋滚筒的动力有限元分析是很有必要的。本课 题利用a n s y s 软件进行动力有限元进行分析，通过动力有限元法的模态分析方法确定 螺旋滚筒的振动特性( 固有频率和振型) ，固有频率和振型是承受动力荷载结构设计中的 重要参数。结构在动荷载作用下各截面的最大内力和位移都与结构自由振动时的频率和 振动形式密切相关，因此寻求自振频率和振型是进行各项动力分析的前提和基础，寻找 结构的自振频率和振型是模态分析的主要内容。通过p r o e 三维设计软件建立螺旋滚筒 的模型并得到有限元模型，通过划分网格和边界条件的设定，分析得到螺旋滚筒整体模 态固有频率，对其进行分析处理。根据分析结果，确定其自振频率及振型，通过对比振 动频率确定是否会产生共振，从而确定采煤机在工作时稳定性及振动的要求，为设计中 避免机器共振提供一定的理论参考； ( 3 ) 螺旋滚筒的参数优化设计。优化设计是在现代计算机广泛应用的基础上发展起 来的项新技术。它为工程及产品设计提供了一种重要的科学研究方法，使得在解决复 杂设计问题时，能从众多的设计方案中寻得尽可能完善的设计方案，得到最优的参数值， 并能大大提高设计质量和设计效率。本课题把优化设计的思想运用到螺旋滚筒的设计中， 在其参数设计过程中，采用优化设计的方法进行参数的设计研究，通过螺旋滚筒截齿载 荷的数学模型，建立螺旋滚筒的载荷模型，得到载荷波动系数模型，并以载荷波动系数 和截割比能耗为优化目标，选取合适的螺旋滚筒参数( 包括工作参数和结构参数) 进行 优化，利用m a t l a b 软件的优化工具箱编写优化程序，对螺旋滚筒的参数及性能指标 进行优化，以得到最佳的滚筒设计参数，使采煤机性能达到最优，对采煤机螺旋滚筒的 设计与生产提供一些理论参考与帮助。 本课题研究从经济性原则、可靠性原则、易于操作等几个方面考虑，利用有限元分 析软件对截齿和滚筒进行静力和动力有限元分析，并运用仿真优化软件对螺旋滚筒参数 进行优化设计，把先进的分析和仿真优化软件运用于螺旋滚筒的分析和设计，依靠实习 单位的技术支持，根据现有的理论基础和采煤机实验测试条件，加上合理的时间安排， 此方案应该切实可行。 4 第2 章采煤机的截割机理 第2 章采煤机的截割机理 2 1 采煤机截割机构 采煤机碎落煤炭的机构，是采煤机的工作机构，称为截割机构。它的结构形式和参 数对采煤机的总体结构和适用条件有决定性的影响。对截割机构的基本要求是：生产率 高、效率高、截割比能耗低、采出块煤要多、煤粉尘小、结构简单可靠、便于制造、更 换和维修。 采煤机的截割机构主要有：水平螺旋滚筒、水平或垂直鼓形滚筒、煤刨、钻削煤冠、 截链、破碎盘等。根据工作机构和截割方式的不同，采煤机可分为以螺旋叶片式截煤滚 筒截割煤岩的滚筒采煤机、以煤刨刨削落煤的刨煤机、以钻削煤冠钻削落煤的钻削式采 煤机、以及螺旋钻式采煤机。 滚筒采煤机由于兼有截煤和落煤功能、结构简单可靠、调高范围大、效率较高、通 过选择合理的结构参数和截割形式可得到较低的比能耗，因而是目前使用最为广泛的一 种采煤机械【5 1 ，它是以螺旋滚筒作为工作机构的采煤机械，当滚筒旋转并截入煤壁时， 利用安装在滚筒上的截齿将煤破碎，并通过滚筒上的螺旋叶片将破碎下来的煤装入刮板 输送机，同时滚筒可依靠摇臂的摆动而升降，对采高的适应性较强，因而成为应用最广 泛的采煤机工作机构。 图2 1 滚筒采煤机螺旋滚筒 f i 9 2 。ls c r e wd m mo f t l l es h e a r e f 1 截齿 2 截齿座 3 端盘 4 螺旋叶片 5 简体 采煤机的螺旋滚筒结构如图2 1 所示，它是主要由截齿、截齿座、端盘、螺旋叶片、 筒体等五部分组成，螺旋滚筒是一个带有螺旋叶片的圆柱体，截齿装在焊于螺旋叶片上 一5 - 东北大学硕士学位论文 第2 章采煤机的截割机理 的齿座套中，工作时滚筒转动并作径向移动，截割破碎煤岩，再由螺旋叶片把煤沿滚 筒的轴线方向推运出来，装进工作面运输机。 截齿是螺旋滚筒的截割工具，用来完成截割煤岩，电动机大部分功率都消耗在截齿 上，是采煤机上最容易损坏和更换量最大的零件。新型截齿应具有截割阻力小、单位能 耗低、强度和耐磨性高、寿命长、煤屑块度大等优点。采煤机截齿主要有刀型截齿和镐 型截齿两种形式【6 】，刀型截齿的刀柄是沿滚筒半径方向安装的，故又称径向截齿；镐型 截齿的刀柄的安装方向接近滚筒的切线，故也称切向截齿。刀型截齿广泛应用于中硬煤 和粘性煤中；而镐型截齿广泛应用于脆性煤和节理发达的煤岩。目前，随着凯南麦特滚 筒的推广和使用，在大功率采煤机用强力滚筒中，广泛应用镐型截齿作为截割刀具，本 文研究对象是以镐型齿的为截割刀具的螺旋滚筒。 2 2 煤岩主要机械性能 煤和岩是采煤机械的工作对象，它们的机械性能对采煤机械的载荷分布和大小有直 接的影响。由于煤岩的物理机械性质对截煤工具的形式和种类、对煤体作用力的形式以 及煤炭的开采和破煤机理的研究具有重要的意义，因此了解煤岩的物理机械性质就显得 十分重要。 煤岩的物理机械性质是指煤体受到机械施加的外力时所表现的性质和所表现出的抵 抗外力的能力。强度和坚固性、硬度和磨蚀性、弹塑性和脆性、姗变和松驰、粉碎特性 等，统称为煤岩的物理力学性质。 由于煤岩形成的材料、条件及经历的后期地质变化不同【8 】，不同区域的煤岩物理机 械性能存在着很大的差异，煤岩并非单一均质，往往与煤岩相伴而生的是不同成分的煤 渣和夹杂物。另外，煤岩还存在层理、节理等不同的分离面，加之夹杂物的大小及分布 有着很大的随机性，同时开采行为也会改变矿岩的力学环境，这些都导致煤岩的物理机 械特性很难掌握，因此中外从事煤岩相关特性的研究大多是建立在实验基础上的统计分 析研究，利用一些统计量指标来描述煤岩特性对开采截割行为的影响。研究煤岩的相关 特性是为了更好的有针对性的研究采煤机螺旋滚筒在截割不同矿岩时的截割机理和特 点，以便针对在不同的地质条件下工作的截齿进行变形设计。 2 2 1 煤岩强度 煤体在一定条件下受力作用开始破坏时所具有的极限应力值。煤体材料的强度用不 同的测定方法可以得到抗压强度盯一抗剪强度t 和抗拉强度研。这三种强度在数值上 大约有如下关系： t = ( o 1 o 4 ) q矾2 ( o 0 3 0 1 ) q 由于煤岩是非均质各向异性材料，强度具有方向性和随机性，不同地区、不同矿区 6 l、 ，| t 东北大学硕士学位论文第2 章采煤机的截割机理 的煤岩材料强度不同。影响煤岩材料强度因素很多，主要的有【9 j ： 1 ) 煤岩的不均匀性和不单一性，同一煤壁上的强度是不同的，在一般情况下煤壁 下部比煤壁上部强度高，中部最低； 2 ) 煤层内部有节理和层理，煤中有裂隙。试验研究表明：垂直层理方向的强度比 沿层理方向的强度平均高3 0 5 0 ，因此沿煤的层理进行破碎更容易； 3 ) 煤壁在顶板压力的作用，以及长时间暴露的工作面，靠煤壁附近的煤岩强度更 低，更易被压酥。由工作面煤层内部到煤壁表面，越靠近煤壁表面压的越酥， 压酥深度大约是煤层厚度的o 4 1 0 倍； 4 ) 煤岩体内的不同构造特性，如：断裂和裂缝、裂缝密度、裂缝倾角以及裂缝充 填材料等。 2 2 2 煤岩坚硬度 普氏提出的煤岩坚硬度，是比较煤岩破碎难易程度的相对尺度。 理，破碎过程消耗的能量e 正比于表面积增量a ，故坚硬度定义为 厂：七鱼 4 后一比例系数，与破碎方式有关。 根据里丁格尔原 ( 2 1 ) 煤岩坚硬度f 也称为普氏系数，在我国广泛使用于矿岩的分级。根据大量实验数据 可以得到坚硬度和抗压强度的经验关系式： 厂：旦 一 1 0 ( 2 2 ) 最软的流沙产0 3 ，最硬的玄武岩和石英岩厂= 2 0 ，煤共分三级，厂 1 为软煤，户l 2 为中硬煤，p 2 为硬煤。 2 2 3 煤岩的截割阻抗 在设计采煤机时，人们首先应该确定刀具上的截割阻力，然后计算工作机构所需的 截割功率。五十年代，前苏联学者提出在煤岩体上直接进行截割，从中测定作用在刀具 上的截割阻力方法。从大量的实践中人们发现这样的规律：对一种煤岩而言，用结构参 数固定的刀具进行截割，单位截割深度的截割阻力大体为常数；而对于不同矿区甚至于 不同煤层的工作面，用同一刀具进行截割，测定单位截割深度的截割阻力是不同的，根 据这样的规律，前苏联便制造了一种专用设备，来测定单位截割深度作用于刀具上的截 割阻力值。称此截割阻力值为截割阻抗，是一个对工作面煤体的力学性质进行定量表征 的综合性指标。 截割阻抗是一个随机变量，服从正态分布，人们用数学期望值a 对其进行描述。截 割阻抗在前苏联及欧洲被广泛应用，而我国主要使用普氏系数f 对煤岩力学性能进行描 7 东北大学硕士学位论文 第2 章采煤机的截割机理 述，根据大量研究结果，截割阻抗a 与普氏系数厂的数值关系可按以下经验公式估算： 彳= ( 1 0 0 1 5 0 ) ( m p a ) ( 2 3 ) 2 2 4 煤岩的接触强度 煤岩的硬度，由于其测定方法所限，只代表煤岩体测定部位的个别颗粒或颗粒问粘 结物的硬度。为了能够在宏观上表现岩石材料的表面强度，采用接触强度这一概念。 接触强度可按几次实验测压头上的载荷值只与压头下的表面积s 之比来计算： 只= 旦一 ( 2 4 ) 式中只一岩石材料接触强度，m p a ； 尸一岩石材料脆性破坏的瞬间压头的载荷； ，n _ 压头下压次数； s 一压头下的表面积。 2 2 5 煤岩的摩擦和磨蚀性 金属零部件或硬质合金在煤体表面运动时，要受到摩擦阻力的作用，这种金属与非 金属问的摩擦作用将引起如下结果： 如果金属零部件是运动主体，将消耗有用功；使金属零部件表面或硬质合金受到磨 损，表面形状改变，增加了截割阻力；使金属零部件表面或硬质合金发热，使其硬度降 低，加剧磨损，因此需要用水来冷却。 煤体对金属或硬质合金的摩擦作用大小用摩擦系数u 表示，通过专门实验可以测定 p 值。p 值大小因金属或硬质合金以及煤岩种类而异，也因作相对运动的两者之间压力 大小和相对运动速度大小而异。 磨蚀性( 研磨性) ：煤岩对金属、硬质合金或其它固体磨蚀的能力。表征煤岩磨蚀性 的方法很多，可以用标准金属试件在定压力下与被测煤岩材料接触，并作相对移动。 磨蚀系数的表达式如式( 2 5 ) 所示： = 盖，耐培m ( 2 5 ) 式中卜作用的压力，n 。 卜摩擦路程长，m ； y 一金属试件被磨蚀掉的体积，c m 3 。 2 3 煤岩截割破碎过程及破煤机理 煤的切削破碎过程是采煤机的一个主要工作过程。截割过程产生的截割力是决定截 8 - 踟 “i 专 东北大学硕士学位论文第2 章采煤机的截割机理 割质量的重要参数。但目前对这个重要参数尚无科学、可靠的计算方法，因此必须研究 煤岩的截割过程，以提高截割效率和截割可靠性。 有关煤在截齿作用下破碎机理，国内外学者有多种解释，由于考虑问题角度及假设 条件不同，所得结论有所不同。近代破断理论大体分为两类【l o 】【1 1 1 ，一类是韧性破断强度 理论，一类是脆性破断强度理论。前者认为，破断是在材料产生很大塑性变形后发生的， 是剪切滑移破坏的，主要应用于塑性比较大的材料，如金属材料。后者认为，几乎没有 塑性变形就突然断裂，这种快速断裂，塑性区很小，主要应用于脆性材料，如煤、岩石 等。以上理论均不能圆满回答截煤过程所有现象。本文借鉴前苏联学者的研究成果，他 们建立的截割破碎机理在前苏联和中国应用较为广泛，大量实践表明，该理论较准确的 反应了煤截割破碎规律，对采掘机械的设计起到了很好的指导作用。 由于煤体的非均质性很大，所以应把煤体破碎视为一个随机过程，并用相应的统计 特征描述。截割煤岩过程是接触压碎( 形成密实核) 与小块及大块碎煤崩落【1 2 1 ，不间断 的交替过程。当截齿开始接触煤的瞬间，煤体产生局部弹性变形，从而在接触处形成很 高的集中应力，并随着截齿的向前运动逐渐增大。由于煤是脆性体，当应力超过某一极 限值时，刀头前的煤将被压碎而形成密实核。截齿继续向前进，密实核逐渐扩大，而密 实核内的煤粉因受到挤压而积聚能量，密实核压力增大到一定程度，一部分煤粉将沿截 齿前刃面高速喷出，煤体发生小块剥落，使积聚的能量突然释放，密实核体积缩小，但 随着截齿的前移，会重新积聚能量，以及再次发生煤粉喷出和小块剥落。最后密实核内 产生足够大的压力，使煤体内产生剪切裂纹，导致大块崩落，密实核基本消失，从而结 束一个截割破碎循环，开始下一个循环。 图2 2 截齿截割煤岩过程 f i 9 2 21 1 1 ep r o c e s so fm ep i c k sc u tc o a l 截齿截割煤岩的过程就是利用截齿将机械作用力作用在煤岩表面，使煤岩剥落下来 的过程。同金属加工一样，螺旋滚筒相当于钻削或铣削式刀具，开挖时也分为截割运动 一9 东北大学硕士学位论文 第2 章采煤机的截割机理 和进给运动，对应有截割阻力和进给阻力。截齿有截割和进给作用，对应产生有截割和 进给阻力。煤岩属非均匀的脆性材料，它的截割破碎呈现跃进式特征，以单个截齿截割 煤岩为例，按照煤岩截割破坏特征把一次截割过程分为四个阶段，如图2 2 所示： 1 ) 变形阶段：假设截齿是具有一定曲率的球体按赫兹理论剪应力分布在接触点上 为零，离开该点到煤岩一定距离的点剪应力达到极值。随着离开点的距离增加 而下降，最大拉应力发生在接触面边界附近点。 2 ) 裂纹发生阶段：当截割力增加，拉应力超过煤岩抗拉强度时，该点煤岩被拉开， 出现赫兹裂纹相交，接触点剪应力超过煤岩抗剪强度时，该点被错开，出现剪 切裂纹源，截割力所做功部分转成表面能。 3 ) 截割核形成阶段：剪切裂纹扩展到自由面与赫兹裂纹相交，煤岩内已被破碎的 岩粉被运动的截齿挤压成密实的截割核，并向包围的截割核的岩壁施加压力， 其中一部分岩粉以很大的速度从前刃面与煤岩的间隙中射流出去。 4 ) 块体崩裂阶段：载荷继续增加，截齿继续向前运动，在封闭截割核瞬间，压力 超过一定值时，发生块体崩裂，截齿突然切入，载荷瞬时下降，完成一次跃进 式截割破碎过程。 可见，截齿截煤的过程就是密实核形成、发育、收缩、再发育、再收缩直至消失的 过程，与此同时截齿受力也随之变化。密实核的形成和发育不仅消耗了大量能量，而且 还伴随着大量粉尘的产生。 2 4 本章小结 本章简单介绍了采煤机的截割机构螺旋滚筒的结构和工作原理，对螺旋滚筒的工作 对象煤岩的主要机械性能，包括煤岩的强度、坚硬度、截割阻抗、接触强度、摩擦和腐 蚀性作了简要介绍，描述了镐型截齿截割煤岩的四个阶段：变形阶段、裂纹发生阶段、 截割核形成阶段以及块体崩裂阶段，通过对截齿破煤过程的描述，有利于分析截齿的受 力情况和建立截齿的力学模型。 1 0 - 东北大学硕士学位论丈第3 章螺旋滚筒力学模型及载荷模拟 第3 章螺旋滚筒力学模型及载荷模拟 3 1 镐型截齿负荷数学模型 采煤机工作时，镐型截齿的失效对采煤机工作负荷具有重大影响。如果采煤机滚筒 上正在工作的截齿过度磨损或丢失，使采煤机工作负荷明显增长。而且只要其中一齿被 严重破坏，就会使同一截线和相邻截线的截齿因负担过重而造成截割工况的恶化，负荷 增大，增大截齿消耗量。大量截齿的损耗将给采煤机的经济效益带来重大损失。因此， 需要对采煤机上的截齿进行研究( 即研究作用在截齿上的力与煤岩的性质、压酥程度、 截齿的几何形状、磨损程度、切削断面、截齿的布置方式等因素) ，考虑各因素的影响， 再求解截齿截煤的平均截割阻力和平均牵引力。其中截割阻力可看作是一组力作用在截 齿上的结果，它包括截齿前刃面与切屑和压碎煤粉中间层相接触时发生的力，以及后刃 面和侧刃面与煤体的相互作用力。正是因为这种相互作用，随着截齿工作时间的不同， 出现了锐利截齿、磨钝截齿的不同截割阻力及牵引力。 镐型截齿在截割过程中的受力状态如图3 1 所示，镐型截齿在螺旋滚筒的安装方向 上【1 3 1 ，其轴线并非与截齿运动轨迹的切线方向重合。截齿的轴线与螺旋滚筒径向成缈角， 称为安装角。在截割过程中，截齿的圆锥面受有煤岩体施予的正压力n 和摩擦阻力un ， 其合力为p 。把合力p 分解为与齿尖运动轨迹的切线方向重合的力z 和与切线方向重合 的力y 。z 可被认为是截割阻力，y 则是牵引阻力。 j 图3 1 镐型截齿受力简图 f i 9 3 1p i c k ss 仃e s sf i g i l r e 3 1 1 锐利截齿平均负荷 根据前苏联已经标准化的计算方法，关于采煤机镐型截齿截煤时受力情况计算介绍 如下： ( 1 ) 锐利截齿平均截割阻力f 7 】【1 4 】 东北大学硕士学位论文 第3 章螺旋滚筒力学模型及载荷模拟 z 。叫叫。石蒜嘞也。心。砖咄c “一高州 ” ( 6 p + j i l 卿) 心 7 。 c o s p 考虑煤炭脆性程度的影响，平均截割阻力z 0 的计算表达式可写成如下形式： z o = 1 0 - 。害- _ t 时砖驴击，n ( 3 1 ) 式中么一工作面煤层存在矿压显现时的截割阻抗平均值( n m m ) ，有7 0 的煤层么 值低于2 4 0 n i n m ，因此在设计计算时通常取彳= 2 4 0 n 枷m ； 6 。一截齿工作部分宽度，镐型齿6 。= 北，其中d 为镐型截齿齿柄直径，c m ； b 一煤岩的脆性程度指数，当煤岩为韧性煤时b 3 5 ； 五平均切屑厚度，j j l = 三j i l 一，c m ； 巧煤的脆塑性系数，韧性煤取= o 8 5 ，脆性煤取巧= 1 ，极脆性煤= 1 1 5 ； f 一在所建立切削制度条件下的平均截线距，c m ； 当砌锄时，两1 2 5 万+ 十1 2 5 ) 黑 当万 l 锄时，7 = ( 蒜厕吩