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采煤机螺旋滚筒结构优化设计【原创优秀工程机械全套课程毕业设计含5张CAD图纸+带47页加正文22100字】

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采煤 螺旋 滚筒 结构 螺旋滚筒 设计 采煤机 工程机械 课程毕业设计
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采煤机螺旋滚筒结构优化设计【原创优秀工程机械全套课程毕业设计含5张CAD图纸+带47页加正文22100字】

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螺旋滚筒式采煤机是迄今为止综采面最重要的工作机器,滚筒作为滚筒式采煤机的关键机构和工作设备,其工作性能和生产效率决定采煤机功能。因此,建立了螺旋滚筒模型和刀齿??模型,而且对螺旋滚筒载荷的分析,还有对螺旋滚筒参数优化设计具有十分重要的意义。

本论文采用理论分析、研究的方法,对滚筒式采煤机截割性能和截割动、力学性质进行了分析研究。本论文以采煤机截煤理论为依据,建立煤岩特性数学模型、螺旋滚筒模型、镐型截齿模型以及截割载荷模型,研究了煤的性质、镐型截齿参数、螺旋滚筒结构参数和运动参数对螺旋滚筒扭矩、比能耗、块煤率的影响,进一步得到了相关参数间的表达式和规律; 以理论数据为依据,以MATLAB为工具,对截割载荷进行了分析,得到了截齿载荷变化的波形和随煤岩性质不同的变化趋势;同时,描述了切割破碎煤负载变化滚筒的过程中,破碎煤模型和动态力学模型滚筒建立切割煤岩的基础上得到采煤机的约束。本论文对单齿载荷模型和单齿破煤负荷分布的分析,在此基础上的理论,采用随机理论,建立了单齿随机载荷的典范。在直角坐标系下,对滚筒采煤机滚筒受力进行理论分析,进而建立了随机三向力系和随机三向力矩系的模型,以MATLAB软件做为研究平台,编写了每个随机载荷的理论模拟程序。在螺旋滚筒基本尺寸给定和特定煤层形式情况下,以滚筒的截齿和螺旋叶片布置形式为设计变量,以降低载的荷波动为目的,并利用MATLAB进行优化计算。

关键词:滚筒式采煤机;截割理论;采煤机滚筒;滚筒截割性能;载荷;

Abstract

At present,shearer is the uppermost work equipment in fully-mechanized coal working face ,the screw drum is shearer`s pivotal part and working framework,Its capability stand or fall decide shearer`s work performance and production efficiency.so it is significant to establish pick screw drum`s load model,simulate screw drum`s load, and optimize design for parameters of the screw drum.

With regard to this, the theoretical analysis, simulation and experiment are combined to investigate the cutting performance shearer drum and dynamic characteristic of the cutting system in this thsis . According to the shearer cutting theory, Mathematical Model for the coal characteristic ,  the drum, the pick and the cutting load are built. The influence of the coal characteristic, pick structure parameters and drum structure parameters on the drum cutting torque, cutting specific consumption and lump coal percentage are investigated, and the relationship expression and variation laws are acquired.According to the experiment date and talking the wavelet theory as guidance . Regard  MATLAB software as the platform , the detail wave of the load change and the change trend of load along with the coal characteristic change are obtained. And the influence laws of the coal-rock interface form on the cutting system frequency are acquired , too.the load variation is described . Based on the built constitutive model of catastrophe and dynamic model , the cusp catastrophic model of the drum cutting coal is established,and the rigidity and energy conditions are acquired for the shearer cutting availably. On the foundation of the theory which is about the single pick`s average load, analyzed loads`s probability distribution and relevance when a single pick cuts various coal rock, on this basis, utilizing the stochastic process theory, set up the mathematical model about the single pick`s stochastic loads. Under the coordinate of Descartes, analyzed the loads of continuous mine`s cutting drum, and set up the mathematical model about drum`s stochastic strength and moment which include three direction. Regard MATLAB software as the platform, write each stochastic loads`s simulation programme. Analyzed the spectrum of simulated load in frequency field, time field and amplitude field ,studied load`s desity of probability distribution, since(or mutual) relevance, since(or mutual) desity of the power spectrum. And analyzed each parameter`s influence to base wave frequency and other main  frequency of loads. Set up the fuzzy optimize models which regard reducing the loads fluctuation as the goal function, and regard assigned form of pick and blade , rotational speed of cutting drum, swing speed of rocker arm as designed variable, and optimized the parameters using corresponding optimize function in MTALBA`s optimization toolbox.

Keywords: shearer; cutting theory; shearer drum; drum cutting performance

   

1绪论 1

1.1滚筒式采煤机概述 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本课题的研究内容和方法 4

2滚筒式采煤机截煤理论 5

2.1 煤的特性 5

2.1.1  煤的结构特性 5

2.1.2  煤的物理机械性质 6

2.2 截齿破煤理论分析 10

2.2.1 截齿破煤过程 10

2.2.2 截齿截煤截割力模型的建立 11

2.3  滚筒截煤理论分析 13

2.3.1  滚筒受力分析 14

2.3.2滚筒运动学分析 16

3采煤机螺旋滚筒结构设计与参数分析 18

3.1采煤机螺旋滚筒参数的计算 18

3.2  截齿结构设计及参数确定 23

3.2.1 齿尖夹角及其对螺旋滚筒截割性能的影响 24

3.2.2齿身锥角及其对螺旋滚筒截割性能的影响 25

3.3螺旋滚筒结构设计及参数确定 26

3.3.1截深的选定及其对螺旋滚筒截割性能的影响 27

3.3.2截齿排列的设计及其对螺旋滚筒截割性能的影响 27

3.3.3截线距的确定及其对螺旋滚筒截割性能的影响 29

3.3.4螺旋升角的确定及其对螺旋滚筒截割性能的影响 31

3.4端盘结构设计及其参数确定 31

3.5螺旋滚筒运动参数确定 32

3.5.1运动参数对螺旋滚筒截割性能影响的理论分析 33

3.5.2运动参数对螺旋滚筒截割性能影响的结论 34

4 MATLAB优化方法和优化程序设计 35

4.1MATLAB中的M文件 36

4.1.1 M文件的组成 36

4.1.2 M文件编辑器 36

4.1.3 M文件的编写 37

4.2 优化程序设计 39

参考文献 41

    42

1绪论

1.1滚筒式采煤机概述

机械化采矿工程年中的重要设备是螺旋滚筒式采煤机,螺旋滚筒式采煤机是典型的机电和液压系统,直接决定着采煤的效率,有大质量(20~200T) 、大功率(300~2400kW)和高产量(100~1000万吨/年)等的特点,在机械化采矿设备中,使用量占到 90%以上。螺旋滚筒式采煤机划分为单滚筒和双滚筒采煤机,单滚筒采煤机只适用在薄煤层中,且现在使用量稀少,因此本论文所要讲述的滚筒采煤机指的是双滚筒采煤机。双滚筒螺旋采煤机能免开缺口、适应复杂的顶条件和底板条件,适用于各种性质煤矿,能割硬质煤;采高大,调高较为方便,在斜煤层中其采高为 0.65~6.0m,采用无链牵引时能在 35°~54°的条件下工作。可根据煤层厚度来选择螺旋滚筒的规格尺寸,极薄煤层0.3~0.5m不可采,薄煤层0.5~1.3m 采用滚筒直径为600~1000的滚筒,中厚煤层1.3~3.5m采用直径为1000~3000的滚筒,厚煤层3.5~8.0 m,特厚煤层大于8.0 ,采用直径为3000~3500的滚筒。采煤机选用具有上述好处,滚筒式采煤机很快得到了普及和推广,并在性能和结构方面继续改进和日趋完善。



内容简介:
本科毕业论文 (设计 ) 题目: 采煤机螺旋滚筒结构优化设计 学院: 山西大同大学煤炭工程学院 班级: 10 机械三班 姓名: 苗 军 指导教师: 武 熙 职称: 教 授 完成日期: 2014 年 5 月 29 日 山西大同大学 本科生毕业设 计 中文题目: 采煤机螺旋滚筒 结构 优化设计 英文题目: of 学 院: 煤炭工程学院 姓 名: 苗军 学 号: 100803011321 专 业: 机械 设计制造及其自动化 班 级: 10 机械三班 指导教师: 武 熙 职 称: 教 授 完成日期: 2014 年 5 月 25 日 摘 要 螺旋 滚筒 式 采煤机是 迄今为止 综采面最 重 要的 工作 机器 ,滚筒作为滚筒 式 采煤机的关键 机构 和工作 设备 ,其工作 性能 和生产效率 决定采煤机 功 能 。 因此,建立了螺旋滚筒模型和刀齿 模型, 而且对 螺旋滚筒载荷的分析, 还有对 螺旋滚筒参数优化设计具有十分重要的意义。 本论文采用理论分析、 研究 的方法,对滚筒 式 采煤机截割性能 和 截割动 、 力学性质 进行了 分析 研究。 本论文以采煤机截煤理论为依据, 建立煤岩 特 性 数 学模型 、螺旋 滚筒 模型 、 镐型 截齿 模型 以及截割载荷 模型, 研究了煤 的性质 、 镐型 截齿参数、螺旋 滚筒结构参数 和 运动参数对 螺旋 滚筒扭矩、比能耗、块煤率的影响, 进一步 得到了相关参数间的表达式和规律; 以 理论 数据为依据,以 工具 ,对截割载荷进行了分析,得到了 截齿 载荷变化的波形 和 随煤岩 性质 不同的变化趋势; 同时,描述了切割破碎煤负载变化滚筒的过程中,破碎煤模型和动态力学模型滚筒建立切割煤岩的基础上得到采煤机的约束。本 论 文对单齿载荷模型 和 单齿破煤负荷分布的分析,在此基础上的理论,采用随机理论,建立了单齿随机载荷的典范 。 在 直角 坐标系下 ,对 滚筒 采煤机滚筒受力进行 理论 分析 ,进而 建立了随机三向力 系 和随机三向力矩 系 的模型 ,以 为 研究 平台 ,编写 了每 个随机载荷的 理论 模拟程序。在 螺旋 滚筒基本尺寸 给定 和特定煤 层形式 情况下 ,以滚筒 的 截齿和 螺旋 叶片布置形式为设计变量 ,以降低载 的 荷波动为目 的 ,并利用 行优化计算。 关键词 :滚筒式采煤机;截割理论;采煤机滚筒;滚筒截割性能; 载荷 ; t is in is s ts or s it is to s s of to to of in to of on to as as of of of on is on of of is On of is s s a on up s of s up s as s of in s of or or of s to of up as of of of as s 目 录 1 绪论 . 1 筒式采煤机概述 . 1 内外采煤机研究现状 . 2 课题的研究目的和意义 . 3 课题的研究内容和方法 . 4 2 滚筒式采煤机截煤理论 . 5 的特性 . 5 煤的结构特性 . 5 煤的物理机械性质 . 6 齿破煤理论分析 . 10 齿破煤过程 . 10 齿截煤截割力模型的建立 . 11 滚筒截煤理论分析 . 13 滚筒受力分析 . 14 筒运动学分析 . 16 3 采煤机螺旋滚筒结构设计与参数分析 . 18 煤机螺旋滚筒参数的计算 . 18 截齿结构设计及 参数 确定 . 23 尖夹角 及 其对螺旋滚筒截割性能的影响 . 24 身锥角 及 其对螺旋滚筒截割性能的影响 . 25 旋滚筒结构设计 及参数确定 . 26 深的 选 定 及其 对螺旋滚筒截割性能的影响 . 27 齿排列的设计 及 其对螺旋滚筒截割性能的影响 . 27 线距的 确定及 其对螺旋滚筒截割性能的影响 . 29 旋升角的 确定及其 对螺旋滚筒截割性 能的影响 . 31 盘结构设计 及 其 参数确定 . 31 旋滚筒运动参数 确定 . 32 动参数对螺旋滚筒截割性能影响 的理论分析 . 33 动参数对螺旋滚筒截割性能影响的结论 . 34 4 化方法和优化程序设计 . 35 的 M 文件 . 36 文件的组成 . 36 文件编辑器 . 36 文件的编写 . 37 化程序设计 . 39 参考文献 . 41 致 谢 . 42 山西大同大学煤炭工程学院 2014 届本科生毕业设计 1 1 绪 论 筒式采煤机概述 机械化采 矿 工程年 中 的 重要 设备 是 螺旋 滚筒 式 采煤机 , 螺旋 滚筒 式 采煤机 是典型的 机电 和 液 压 系统,直接决定 着 采煤 的 效率,有 大质量 (20200T) 、 大功率(3002400 高产量 (1001000 万吨 /年 )等 的 特点,在机械化采 矿 设备中 , 使用量占到 90%以上。 螺旋 滚筒 式 采煤机 划 分为单滚筒和双滚筒采煤机,单滚筒采煤机只 适用在 薄煤层 中 ,且现在使用量 稀 少, 因 此本 论 文所 要 讲 述的滚筒采煤机指 的是双滚筒采煤机。双滚筒 螺旋 采煤机 能 免开缺口 、 适应复杂的顶 条件 和 底板条件,适用于各种 性质 煤 矿 ,能割 硬 质 煤;采高大,调高 较 为 方便,在斜煤层中 其 采高为 用无链牵引 时 能 在 3554 的条件下工作。 可 根据煤层厚度来选择螺旋滚筒的 规格尺寸, 极薄煤层 可采, 薄煤层 用滚筒直径为 6001000 的滚筒, 中厚煤层 用直径为 10003000 的滚筒, 厚煤层 8.0 m, 特厚煤层大于 采用直径为 30003500 的滚筒。 采 煤机 选用 具有上述 好处 ,滚筒 式 采煤机很快得到了 普及 和推广 ,并在 性能和 结构方面 继续改进和 日趋 完善。 螺旋 滚筒 式 采煤机的 结构如图 1示 , 包含 四大部分:中间箱、牵引 机构 、行走 机构 、 截割 机构 。中间箱为 采煤机的 动力部分 与 控制部分。牵引 机构 是 行走 机构 的动力源 与 传动部分,牵引方式 的 不同 导致 动力源 的 不同,主要 是 电牵引 和 液压牵引两种 方 式, 依靠 固定箱下边滑靴与布置在工作面 上 的输送机轨 道 相 接触,并被支撑 起来 。 行走 机构 利用牵引电 动 机或 者 液压马达输出的动力 经过 减速后,传到 1- 中间箱 234图 1煤机结构图 山西大同大学煤炭工程学院 2014 届本科生毕业设计 2 行走箱行走轮, 和 输送机上销轨啮合,使 滚筒 式 采煤机行走,可实现无极 变 速,在 破煤 过程中随着截割煤层的 性质 不同 进一步调节 牵引速度。截割 机构 包括摇臂 与滚筒,摇臂起 传动、 减速、 调节 采高的作用, 螺旋 滚筒转 动 直接作用 在 煤壁 上 , 依靠安装其上的 镐型 截齿破煤,利用叶片将 截割 下来的煤送到 和 采煤机配 合 的输送机上。在 以 上采煤机的四大 机构 中,截割 机构 的 螺旋 滚筒是 滚 筒 采煤机的工作机构,因而 直接作用于煤 层 ,工作条件 很 恶劣,因此,截割性能的 优劣 直接影响 螺旋 滚筒采煤机的 使用寿命 与 截割性能,并对煤 矿 企业 的效益产生直接影响。采煤机 螺旋 滚筒 包括 端盘、螺旋叶片、 截齿、 齿靴、 齿座、筒毂和喷 嘴 七 个部分,如图 1示。 图 1采煤机螺旋 滚筒 内外采煤机研究现状 20 世纪 中后期 ,英国 和 前苏联 前 后对 滚筒 采煤机的 螺旋 滚筒作了技术 改造 ,一是螺旋 滚筒 能 在使用 过程 中调高 ,解决对煤层存 方式 的适应 性 ;二是把圆形筒 体 改成螺旋叶片 截割 滚筒 ,大 大地提高了装煤 的 效率 。这 次 改 造 就 给 螺旋 滚筒 采煤机 奠定了 现代化采煤机械的基础。 90 当 前国内外使用的采煤机主要是 能 调高的双滚筒 式 采煤机 ,经过改 造 的滚筒采煤机 ,可追溯到长壁 采煤法 中的 采 煤机 ,前 期用于煤底部掏 煤 槽的采煤机。最早的螺旋 滚筒 式 采煤机是在 采 煤机的基础 之 上 ,将减速箱部分改 装 成安 一根水平轴 与 截割滚筒而演 化 形 成的。这种 螺旋 滚筒 式 采煤机与 刮板 输送机配套 ,奠定了 矿山 开采机械 进步 的基础。 早期的 螺旋 滚筒采煤机有两方面 坏处 , 山西大同大学煤炭工程学院 2014 届本科生毕业设计 3 第 一 : 采 煤滚筒 安装高度不能在使用中调 节 (固定滚筒 ),对煤层厚度适应性 较差 ; 第二: 破 煤滚筒 的 装煤效果不 佳 (圆形滚筒 ),限制了采煤机生 产 效 率。 第三:我国滚筒的尺寸系列难以达到要求。 前苏联、德国等是世界的 采 矿 大国 ,所以 对采煤机螺旋 式 滚筒 和 载荷都进行 了 研究 ,而且研究的 较 早。特别是在 20 世纪中叶 成绩 比较 突出。 中叶 前苏联就 开始 了对煤 层 的机械 特性 和抗切削强度 理论 研究 ,对截齿 破 煤 载 荷理论计算进行了探讨。 中期前苏联 采 用 计算机 模拟对采煤机 螺旋滚筒 截 煤时的 负荷 进行了 理论 研究。英国对破煤做了 理论研究和 大量的实验 ,提出了 新的 破煤理论。 70 年代 后期 ,前苏联、英国 利用 数字计算机 ,做了 滚筒及 镐型 截齿的负荷模拟 实验 研究。 我国采煤 机械 从 是 20 世纪中后期 主要靠进口采 煤机满足我国 的 生产 需 求 ,对采煤机的 理论 研究处于 萌芽时期,大部分是 引进、 再到 仿制阶段。近 些 年来 ,有关 于滚筒 采煤机的 文献 和试验 研究 越来越多 ,有 较 多以采煤机 机械 实验系统 的 模型为基础 ,从力学、运动学、 煤层 力学的角度 ,对采煤机性能进行了研究 和探讨 ,例 如 ,适应半煤岩采煤机的研制 和开发 ;增大块煤率的 螺旋 滚筒无级调速 理论 研究 ;电牵引采煤机 的水介质调高 和 高压喷雾灭尘系统 理论 研究 ,利用工作面 乳化液作为传动介质的调高系统 理论 研究 ;特殊 环境 下采煤 机 的 理论 研究 ,如螺旋钻 采煤机开发 ; 工况 的 监测、 故障 的 诊断、显示 和 自动 的 控制 也 自动调高 系统 开发 等。 课题的研究目的和意义 采煤机 螺旋 滚筒工作在煤岩分布不均、 特 性多变且具有很大的随机性的工作面上 ,其载荷成分复杂 ,容 易引起机器的振动 ,进 而影响 滚筒 采煤机的使用寿命和工作时的可靠性 ,因此 ,很 有必要对 螺旋 滚筒载荷进行研究。 研究的内容: 第一:改进滚筒的材料强度。 机械化采 矿 的核心 机器 是采煤机 ,螺旋 滚筒又是采煤机的 重要 工作机构 ,起 截煤与 装煤 任务。世界各国都对 滚筒 采煤机进行研究 和 设计 ,除 了 分析 和 计算外 ,还 要对其 的 材料 进行实验研究。 第二:该井摇臂和滚筒的连接部。 山西大同大学煤炭工程学院 2014 届本科生毕业设计 4 在物理模型上进行 仿正 。 因为 经济性 、 安全性和可行性方面考虑 ,在实际 的 采煤机上进行 不宜 做 到。然而采煤机滚筒工作比较复杂 ,影响因素 比 较多 ,很难用理想的物理模型进行研究。 只 对 单一 参数的模型进行 分析 研究 ,加强连接的强度。 第三:我国滚筒的尺寸系列难以达到要求。 因此 ,用先进计算机 模拟 技术对采煤机滚筒的 载荷 进行 仿正 研究。 对大直径惊醒强度模拟,设计大直径高强度滚筒。 对螺旋滚筒进行优化设计研究 ,对煤炭生产向着高效 和 高产方向发展有一定实际意义 与 经济价值。 课题的研究 内容和 方法 本文 基于基础知识 通过 计算 的方法对滚筒载荷进行研究主要包括以下二部分 : 第一部分 : 以截齿 的 破煤理论为 依据 ,研究左、右滚筒上单齿截割煤岩时 的 截割阻力、牵引阻力的值 的变化 情况 ,在此基础上 ,结合前苏联学者对齿载荷的统计方法和成果 ,利用计算机的 台进一步分析研究单齿截割煤岩时载荷的分布。 第二部分 : 以单齿 的 载荷理论、载荷 的 分布为基础 ,建立单齿 的 载荷的 力学 模型 ,通过分析滚筒所承受的三向力和三向力矩 ,并考虑 煤 岩夹层对载荷影响 ,建立滚筒三向力和三向力矩的数学 力学 模型。根据所建立的数学 力学 模型 ,在 编写相应的载荷模拟程序 ,对载荷进行 力学 模拟分析。 山西大同大学煤炭工程学院 2014 届本科生毕业设计 5 2 滚筒式采煤机截煤理论 煤岩是 滚筒 采煤机 滚筒 的截割对象,对采煤机 的 螺旋 滚筒 的 受力、比能耗、块煤率 和 生产效率、机器 的 寿命、功率等均有直接 的 影响。 因此 ,要了解煤 岩 的结构性质 、物理性 质 用 以提高采煤机效率。 与此 同时,为研究 采煤机 的截割 的 机理,探索采煤机 螺旋 滚筒 破 煤过程的合理 的 运动参数、 结构参数,以提高 螺旋滚筒 式 采煤机的 稳定性 和 可靠性,使 它 更有效的 生产 和 工作,需对 镐型 截齿的破煤理 论 、 螺旋滚筒的力学 性质 和运动 性质 进行 分析 研究 计算 。 的特性 煤 岩 是采煤机的 破碎 对象,煤的结构特 性 及其物理机械 特 性对采煤机 螺旋 滚筒的载荷、 截割 比能耗、 块煤率、 效率、 可靠性、 运行平稳性 和 使用寿命均有直接影响,且对采煤机的选型和使用 约束 条件也有影响。 因 此,对 螺旋 滚筒 式 采煤机破煤理 论 的研究,须了解煤 岩 的结构特 性 以及煤的物理 和 机械 性质 。 煤的结构特性 煤 岩 是远古时 期 的沉积物,在 高温、与空气 隔 离 和 高压 环境 下,经 力 漫长碳化过程 而 形成的。原始 的 沉积物不同,碳化变质程度的 不同 ,使煤的物理机械 特 性和煤的结构 特点 在不同地域有很大 不同 。煤 岩 层 在沉积过程中形成的分层面称为层理,地 压 使煤破碎 而 形成的裂面称为节理,使煤 处 处的性质不 尽 同,即煤是一种各向异性非均质性的脆性 的 产品 。煤的结构特 性 主要有以下两个方面: (1) 原生性构造特点 原生性 的 构造特点 是 由煤生成时的 地质 条件 导 致, 像 生成煤 岩 材料、当时的自然 的 环境 等。人们用 一下 几个概念 描写 原生性构造特点, 节理、 层理和非均质性等。原生性 的 构造特点 属于潜伏性的 特点有 层 理 和 节理,指在煤 岩 层中固有的结构 中 ,是一种 不 连续性 的 弱结合面。肉眼 是 不易 观察到 它们 的 , 只 能在煤层 遭到 破碎过程中 表 现出来,这时我们能 注意到 的是 光滑 的离层面。 (2) 次生性构造特点 山西大同大学煤炭工程学院 2014 届本科生毕业设计 6 次生性构造 是由于动力形成的煤 的性质 , 一般运 用 裂隙和 断裂这两概 念来描述。断裂指在煤 岩 层内 很是 较 明显的分离面;裂隙是 指 煤层内 崩 开着 很 明显的大裂纹 。煤 岩 层中存在着 的 弱结合面,使煤层 的 强度大 大 降低。在煤 岩 的开采中,为降低能耗和延长采煤机 的 寿命,采煤 机采煤 中应利用弱结合面 的 煤层 的 强度低的这一特点。煤层的裂 纹 主要有以下几种形态 性质 : 多缝性:几条 参差不齐 的裂缝同时存在; 不规则性:裂缝走向 呈现 不规则的 折线状 ; 易窜性: 普遍 情况下,煤层厚度小,裂 纹 不可能 一直 在煤 岩 层 中延伸, 易窜至顶 板和 底板 甚至 更远; 复杂性: 垂直 纹 、 水平 纹 、斜交 纹 同时存在的可能性 很 大。 煤 岩 的 结构 很 复杂 , 有时在煤 岩 的 小分层 中 有整层的 其它矿物 杂质 成分, 比煤岩 强度高 , 称之为夹矸。岩石 夹矸 有 泥板、 粉沙,少有 石灰岩或 沙岩 。 矿物成分 包括 硫化物类、 碳酸盐类和硅化物 矿 。为 了 评价 采煤 面 的 煤 岩 中含有岩石 的 夹层 夹矸的含量及 特性 , 需要 测 量 出 其 煤层厚和 夹矸 层的厚,以确定 夹矸 的岩石学类别 和 抗切削 的 强度。 煤的物理机械 特性 煤的物理机械 特 性对采煤机 的 螺旋 滚筒、 镐型 截齿种类的选择 和 截割载荷的大小均有 很 大的影响, 所以 必须 知道 与采煤机 破 破煤过程相关的煤 岩 的物理机械 特性。 煤 岩 的物理性质由其 形成过程的环境、 成分 和 构造因素 等 决 定的, 包含 湿度、容重、 导电性、 空隙度和传热 性 等,与煤 岩 开采相关的 有 湿度和 容重。 煤的机械 特 性是煤 岩 体受到 所 施加的外力时表现出来的抵抗外力的能力 特性 ,如 接触强度、摩擦与磨蚀性、 强度、弹性、截割阻抗 与 坚硬度等。在破煤时可 利用煤 岩 的机械 特 性选择 镐型 截齿对煤 岩 体作用力的形式 和镐型 截齿的 种类和 形状等。所以知道 煤 岩 的机械 特 性 很 重要。 对采煤机 镐型 截齿 的 破煤过程、 截齿选型、 螺旋 滚筒设计 有重 大 影响的煤的物理机械 特 性有 如 下几 点 : (1) 煤的容重 山西大同大学煤炭工程学院 2014 届本科生毕业设计 7 煤的 容重 又称煤的体重或假比重,它是包括 孔隙 在内的一定体积的煤的重量与同温度、同体积的水的重量之比。 根据煤 岩 种类不同,容重在 13001500kg/围内。多 数 情况下,煤的容重小,所 处 煤 岩 层的 层理、 节理 也就 发达,强度 也 小, 采煤也 容易。对容重小煤 岩 层,可提 增大 煤机牵引速度 从而 提高效率。 (2) 煤的湿度 煤的湿度 是单位 的 体积煤的 含水量,指煤缝隙中存 在的 水与煤固体 的 重量 比。含水量 较 高的煤体, 其 结构 特性 被弱化,强度明显低。开采湿度 大的煤 岩 时,功率消耗低,产尘小,可使采煤机 的 牵引速度设定值比 开采 常规煤层 时的牵引速度 的大,提高效率。 (3) 煤的强度 煤 是 非均匀各向异性 物质 ,单轴抗压强度 : 549拉强度 : 6剪强度 : 1所以 在选择采煤 的 采煤方式和设 计 螺旋 滚筒 或 者 布置截齿,要 充分用煤 岩的 强度不同的特点,利用 剪切 与 拉伸 破 截割 岩 ,降低截齿 载荷 和 采煤机能 量消 耗。 与此 同时, 因为 煤 岩 的各向异性,不仅不同 的 地 域 、不同 煤 层的煤岩强度不同,即使 相同 煤 岩 体不同方向强度 是 不同 的 。如,对煤 岩 的单 一 轴 的 抗压强度,前苏联学者通过试验 证 明,对 于 垂直于层理 受力 与平行于层理方向 受力 比较,前者的 所受 抗压强度比后者大 30 50%,可 以 能大 到 2 倍。 (4) 煤的截割阻抗 设计采煤机 螺旋滚筒时 ,首先 要 确定 镐型 截齿 受力 状况 , 再 计算截割 部 所需的功率。从实践中 我 证明 :对于一种煤 岩 ,用 同一种 结构参数的截齿进行 破煤 时,截割深度的阻 抗 大致为 定值 ;对不同 地 区 以致到 不同煤 岩 层的工作面,用同一 种 截齿进行 破煤 时, 测量 单位深度的阻力是不 相 同的。 所以 ,前苏联学者 制作 了一种 专业截齿 ,标准截齿 (截割宽度为 20角为 40,后角为 10),对 煤体进行 破落 试验,测得的单位 截割 厚度煤作用 在镐型 截齿上的阻力值,定义该 这个 阻力值 作为 截割阻抗 Z ,如式 (2示。 Z=F/h (N/ (2 式中 F 截齿所受截割阻力, N ; h 切削厚度, 山西大同大学煤炭工程学院 2014 届本科生毕业设计 8 煤截割阻抗 ,能 用于计算 采煤机滚筒 受力 与 采煤机械选型,能全面 体现 矿井 环境下 的影响,是 体现 煤 岩 的性能的一个 重要 指标, 与此 同时也是对 镐型 截齿 和滚筒进行 分析 、优化的基础。 煤的截割阻抗 大部分在 30420N/ 采煤机 的 角度 分 , 能 将煤 岩 层 依据 截割阻抗 , 分为 一下 三大类 : Z= 30180 N/称为软 质 煤,设计采煤机 螺旋 滚筒时 , 可选择较小 的 功率,且截线距可较大 些 。 Z=180240N/ 称 为中硬 质 煤 层 ,根据煤层韧性煤 或者 脆性煤 ,来 计算 进一步 合理设计 采煤机 螺旋 滚筒 与 截齿布置 方式 ,选择 合理 功率; Z=240420N/ 称为硬 质 煤,截割 这 种煤层时,必须 要 用较大功率的采煤机,并且 截线 距 要 适当 的 减小, 进而 提 螺旋 高滚筒破 煤 力 。 (5) 煤的坚固性系数 煤 坚固性系数 f , 又 叫 煤 坚硬度,是前苏联学者 普罗托季雅柯诺夫 20 世纪初提出, 所以 又 叫 作普氏系数,主要作 为 衡量煤 被 破碎 的 难易程度的 重要 指标。 其 综合反映了煤 强度、 硬度 、 塑性因素。我国通常 依据其 坚固性系数来分采煤机的适用范围 ,并 根据这个 系数对煤 层 分类,规定 : f 极脆性煤。 齿破煤理论分析 镐型 截齿 , 采掘机械 当 中 常用的截割 和破煤 设备 ,直接截割煤 岩 时 ,工作条件 很恶劣 ,是 易损零 件,且采掘机 的绝 大部分功率消耗在截齿 破 煤 上。截齿 的 性能 好坏 ,直接影 响采 煤 机 破煤 机构的质量,是 降低 成本、 降低比能耗、 增加使用寿命、 提高截割效率、提高可靠性 与 效益的 最 佳 途径。 因此 对 螺旋 滚筒采煤机破煤 理论 的研究,要 对截齿截割机理进行 研究 分析。采煤机用的截齿有楔型截齿 与 镐型截齿,两 种 破煤机理 相 类似,但 是因为 楔型截齿破硬煤能力 比 较弱,逐渐淘汰,为此,本论文 研究的截齿 类型是 镐型截齿。 齿破煤过程 2 截齿破煤 经过 是进行破煤 理 论 分析 和 建立截齿力学模型的基础, 因此 , 要 对 截齿 进行 破没理论 分析,破煤 的 过程如图 2示。 以 截割速 度 v 截煤 岩 时,在接触 面上 产生 较 高的压力,并 且 集中在很小的 区域 内。 因为 煤是脆性物质,当接触力达到极限 应力 值时,煤 岩 开始局部被压 裂 ,形成 较 细粉末 状 ,形成煤粉 状 密实核 17结构 。在截齿 割 入的过程中,煤粉 状 密实核部将 会 以很高的速度沿 截齿 齿身面 射 出,进 而压碎 区域逐渐 扩大,密实核 随着 不断扩大,核内煤粉受 挤压积聚能量,并向密实 核 周 围 的煤 岩 体施 加 压 力 ,截齿截割阻力 同时随着 逐渐扩大。当密实核扩大到煤和 截齿前 刀面 接触点 D 时,该处煤 会 发生小块脱 离 ,密实核区域 的 煤粉受到强烈压缩 进而 高速 射 出, 积聚的能量突然放 出 ,截割阻力 同样骤然 减小。煤粉高速喷 山西大同大学煤炭工程学院 2014 届本科生毕业设计 11 图 2齿破煤过程 出 的 时 候 ,与截齿齿身 面发生 强 烈 摩擦,使在齿尖部形成聚集物区域 ,它粘在 齿尖上并 且 与截齿一起运动, 也 对煤体产生 的 楔入作用。截齿 接着 前进,密实核 的 体积 再次 扩大,截割阻力也 再次 扩大, 一 直到再次发生小块 媒体 剥 离 及煤粉喷出时,截割阻力 又一次 下降。 而 后截齿 到了 B 点时,密实核内 部 产生 相当 大 挤 压力,使煤岩 体内 部 产生剪切裂 , 此 裂 随截 者 齿 破煤的进行而 扩 散 到煤体 的 上 表面, 这 时 的 截割阻力 到 达 最大值。 从 而煤块 者 裂 离 ,密实核消失 不见 ,截 割阻力随之 降到最小。 由此 可见,截齿截煤过程是截入、密实核形成、跃进破碎的过程。 齿截煤截割力模型的建立 对截齿截割力的 分析 研究,国内外学者从 最大剪力、 最大拉力、断裂力角度对镐型 截齿 进行了 分析 研究,并作为 计算和 设计采 煤 机截齿和 滚筒 的理论 基础 。但由于这 部分 公式是在用切割 理论 下得 出来 的,作为 采 煤机 的 镐型 截齿 的 截割 的 力的计算公式可 用,用 到 采煤机 螺旋 式 滚 筒截齿 受力公式需 要 进行转化。 后面 论 文 中给出了采煤机 螺旋 式 滚筒任意位置 的 截齿的三向力 的 计算 的 规律 ,对计算采煤机 螺旋 式滚筒叶片截齿截割力提供了理论 研究 基础 , 但 是 对 采煤机 螺旋 滚筒 的 端盘 镐型 截齿的 截割力 计算 有 一定的 误差,没 考虑端盘 的 截齿 的 倾斜角对截割力的影响;同时,采煤机 螺旋 滚筒在 运转 时,端盘 上的 截齿比叶片 上的 截齿受力状况更复杂 ,端盘 上山西大同大学煤炭工程学院 2014 届本科生毕业设计 12 的 截齿受力分析的准确 性 对设计采煤机 螺旋 滚筒有 相当 大影响。 采煤机 螺旋 滚筒上 的 截齿的安装角分为: 倾斜角 、 冲击角、歪斜角。冲击角在螺旋 滚筒的横截面内 ,是 截齿轴线 和螺旋 滚筒 的 径向线 夹角,如图 2示, 螺旋滚筒横截面 指 过齿尖 且 垂直于 螺旋 滚筒轴线的平面,滚筒 的 径向线指齿尖 所在 的螺旋 滚筒 的 横截面内 , 齿尖 和 中心点 之间 的连线;倾斜角为截齿 的 轴线面以图 2齿尖处 的 滚筒 的 切 线 做 为旋转轴,旋转一定角度 以 后与 螺旋 滚筒 的 横截面 形 成的二面角,其中截齿 的 轴线面指通过截齿 的 轴线和齿座 的 底 面中心线的平面,如图 2 所示;歪斜角为截齿 的 轴线面以图 2齿尖处 螺旋 滚筒 的 径向线 做 为旋转轴,旋转一定 角度后 和螺旋 滚筒 的 横截面 形 成的二面角,它是截齿 的 轴线面绕 螺旋 滚筒的 横截面中过 截齿的 齿尖的径向线旋转 而 得到的。在 螺旋 滚筒 的 制造过程中,截齿定位 是以齿尖 做 为基 准。 螺旋叶片上截齿 有 3 个安装角, 冲击 角非零,其 它 两个角都 为零,且此时截齿 的 轴线面 和螺旋 滚筒 的 径向面重合。而端盘 上的 截齿 的 3 个安装角度 是 随截齿在端盘 上 周向位置的不同而 变化 。但是,滚筒上所有 的 截齿的冲击角 都 是 相等。并且,端盘截齿 的 总数占滚筒截 的 齿总数的一半 左右 ,由此可见,分析 螺旋 滚筒 的 受力, 不能 忽略 端盘截齿倾斜角和歪斜 。 图 2截齿安装图 图 2截齿组装图 螺旋 滚筒 的 截齿以转速 n 绕 螺旋 滚筒轴线 转动 ,以牵引速度 v 截割煤 体 。在 螺旋 滚筒旋转一周 的 过程中, 每个截齿有一半 的 时间 部 在截割煤岩。 随着 螺旋 滚筒的运行 ,截齿 破煤 切削厚度从零 一直 到最
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本文标题:采煤机螺旋滚筒结构优化设计【原创优秀工程机械全套课程毕业设计含5张CAD图纸+带47页加正文22100字】
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