本文關(guān)鍵詞：新型鉆式采煤機(jī)鉆具截割與輸送性能研究

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【摘要】：為克服當(dāng)前鉆式采煤機(jī)采煤效率低、換鉆耗時(shí)和鉆采偏斜嚴(yán)重等缺點(diǎn),促進(jìn)其在薄與極薄煤層中的推廣使用,“十二五”期間國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“極薄煤層鉆式采煤機(jī)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”立項(xiàng),旨在研制一種高效、可靠及經(jīng)濟(jì)的高性能新型鉆式采煤機(jī)。鉆具是鉆式采煤機(jī)的工作機(jī)構(gòu),作為最核心的部件,其截割與輸送性能直接影響整機(jī)的可靠性、運(yùn)行平穩(wěn)性、生產(chǎn)效率及采煤經(jīng)濟(jì)性,研制具有良好截割與輸送性能的鉆具是研制新型鉆式采煤機(jī)的重要內(nèi)容之一。為此,本文以新型鉆式采煤機(jī)的鉆具為研究對(duì)象,采用理論分析、�；囼�(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)鉆具的截割與輸送性能進(jìn)行研究,為新型鉆具和鉆采工藝的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。針對(duì)當(dāng)前結(jié)構(gòu)形式的鉆頭,開展了鉆頭破煤理論研究,分析并掌握了截齒的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律、鉆頭的破煤機(jī)理、截齒的切削工況及破煤量。結(jié)合鉆頭上截齒的切削工況,建立了單齒截煤離散元數(shù)值仿真模型,對(duì)截齒鉆進(jìn)截割煤巖過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,在此基礎(chǔ)上,研究并掌握了截槽間距、截齒工作角和截齒運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)截齒截割性能的影響規(guī)律,為鉆頭截割性能的分析提供了依據(jù)。根據(jù)鉆頭的鉆采工況,建立了鉆頭截割性能評(píng)價(jià)體系,在此基礎(chǔ)上,在煤巖截割試驗(yàn)臺(tái)上對(duì)所研制的試驗(yàn)鉆頭進(jìn)行煤巖鉆采試驗(yàn),研究了鉆頭外形、截齒工作角、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、截齒排距和排布方式等因素對(duì)鉆頭截割性能的影響規(guī)律。研究表明:“平面+拋物面”鉆頭的截割性能優(yōu)于“平面+圓錐面”鉆頭;截齒截割角、截齒傾斜角及鉆頭進(jìn)給導(dǎo)程均存在最優(yōu)值使鉆頭的截割性能最優(yōu);鉆頭進(jìn)給導(dǎo)程恒定時(shí),鉆頭各截割性能指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速的增大線性惡化;截齒排距對(duì)鉆頭截割性能的影響依賴于鉆頭的進(jìn)給導(dǎo)程,設(shè)計(jì)鉆頭時(shí),應(yīng)先確定鉆頭的進(jìn)給導(dǎo)程范圍,進(jìn)而選取合理的截齒排距;畸變式鉆頭的載荷和能耗最小,但其載荷平穩(wěn)性最差,順序式鉆頭的載荷和能耗最大,但其載荷平穩(wěn)性最好,設(shè)計(jì)鉆頭時(shí),應(yīng)根據(jù)不同的使用場(chǎng)合選擇合理的截齒排布方式。基于彈性力學(xué)和斷裂力學(xué)理論,分析了圍壓對(duì)煤體強(qiáng)度和裂紋擴(kuò)展的影響規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,通過利用非線性有限元法對(duì)單鉆頭和多鉆頭的煤巖鉆采過程進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了不同圍壓條件下鉆頭和鉆具的截割性能。研究表明:圍壓越大,圍壓向數(shù)越多,鉆頭的載荷和截割比能耗將越大,而平均破煤率則越小,圍壓對(duì)鉆頭截割性能的影響不可忽視;多鉆頭并行鉆采時(shí),各鉆頭的截割性能主要受相鄰鉆頭煤巖鉆采過程的影響,一定程度上鉆頭間的相互作用可以改善各鉆頭的截割性能;鉆具上各鉆頭的截割性能與其鉆采工況密切相關(guān),相鄰煤孔間煤體的強(qiáng)度弱化是引起各鉆采工況鉆頭間截割性能差異的根本原因,而圍壓僅是加大這種差異的直接原因;鉆具在從動(dòng)鉆頭超前排布和從動(dòng)鉆頭滯后排布模式下的截割性能差異極小,設(shè)計(jì)鉆具時(shí)不宜采用并行排布模式布置鉆頭。基于離散元法基本理論,利用離散元軟件PFC3D建立了鉆具輸煤數(shù)值仿真模型,并系統(tǒng)地建立了鉆具輸送性能評(píng)價(jià)體系,在此基礎(chǔ)上,研究了鉆具在整個(gè)鉆采過程中的輸送行為。研究表明:風(fēng)筒區(qū)域的物料堆積是中間鉆桿有效輸料的前提條件;新型鉆式采煤機(jī)應(yīng)取消犁煤板以避免中間鉆桿與風(fēng)筒間的循環(huán)物流;鉆頭物料輸送的單向性和不均勻性導(dǎo)致沿鉆具橫向的物料分布不均衡,同類部件間的物料充填率、功率及物料輸送率等指標(biāo)均具有顯著差異;設(shè)計(jì)傳動(dòng)箱時(shí)應(yīng)盡可能增大其側(cè)面過料空間;由于較大的物料充填率和過料阻抗,鉆頭區(qū)域物料的渦旋運(yùn)動(dòng)極為劇烈;設(shè)計(jì)鉆具時(shí),各部件的進(jìn)給功率可以忽略,但各部件的進(jìn)給阻力均應(yīng)予以考慮;在退鉆過程中,風(fēng)筒區(qū)域的殘留物料回收率相對(duì)較低,調(diào)高油缸在物料回收中起主導(dǎo)作用,而鉆頭起次要作用。利用鉆具輸煤數(shù)值仿真模型對(duì)不同首節(jié)鉆桿葉片缺失長(zhǎng)度、鉆頭布置方案、煤層方位角和轉(zhuǎn)速條件下鉆具的輸煤過程進(jìn)行了仿真模擬,研究了相關(guān)因素對(duì)鉆具的物料充填率、功率、物料輸送率等輸送性能指標(biāo)的影響規(guī)律。研究表明:首節(jié)鉆桿葉片缺失長(zhǎng)度的增加會(huì)增大鉆頭和傳動(dòng)箱處的物料堵塞風(fēng)險(xiǎn),減小鉆具的鉆進(jìn)采出率,設(shè)計(jì)鉆桿時(shí)應(yīng)盡可能減小首節(jié)鉆桿的葉片缺失長(zhǎng)度;在四種鉆頭布置方案中,方案1和方案3優(yōu)于方案2和方案4,方案1可以使鉆具在高進(jìn)給速度下獲得最優(yōu)的物料輸送性能;鉆具各部件的物料充填率、功率和輸送比能耗均隨正向煤層傾斜角的增大而減小,隨負(fù)向煤層傾斜角的增大而增大,開設(shè)巷道時(shí)應(yīng)盡可能使鉆具處于仰采狀態(tài);鉆具的輸送性能隨正向煤層走向角的增大而下降,隨負(fù)向煤層走向角的增大而提高,設(shè)計(jì)鉆具時(shí)可通過改變中間鉆桿和中間螺旋鉆頭的轉(zhuǎn)向及葉片旋向以達(dá)到間接保證鉆具在負(fù)向煤層走向角條件下工作的目的;鉆頭和鉆桿各自均存在一個(gè)最優(yōu)轉(zhuǎn)速,為保證鉆具的整體輸送性能,鉆具轉(zhuǎn)速應(yīng)按鉆桿的最優(yōu)轉(zhuǎn)速選取。
【關(guān)鍵詞】：新型鉆式采煤機(jī) 鉆具 鉆頭 破煤理論 鉆采試驗(yàn) 數(shù)值模擬 圍壓 截割性能 輸送行為 輸送性能
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD421.6
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-10
• Extended Abstract10-35
• 變量注釋表35-41
• 1 緒論41-59
• 1.1 課題來(lái)源41
• 1.2 選題背景及研究意義41-43
• 1.3 新型鉆式采煤機(jī)及鉆式采煤法概述43-47
• 1.4 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀47-56
• 1.5 研究中存在的問題56-57
• 1.6 主要研究?jī)?nèi)容57-59
• 2 鉆頭破煤理論及單齒截割性能研究59-85
• 2.1 鉆頭破煤理論研究59-64
• 2.2 鉆進(jìn)條件下單齒截割性能研究64-83
• 2.3 本章小結(jié)83-85
• 3 單鉆頭截割性能的試驗(yàn)研究85-115
• 3.1 煤巖截割試驗(yàn)臺(tái)的改造及試驗(yàn)鉆頭的研制85-91
• 3.2 鉆頭截割性能評(píng)價(jià)體系91-93
• 3.3 鉆頭截割性能試驗(yàn)研究93-113
• 3.4 本章小結(jié)113-115
• 4 圍壓條件下鉆具截割性能的數(shù)值模擬研究115-159
• 4.1 圍壓對(duì)煤體力學(xué)特性的影響115-119
• 4.2 鉆頭煤巖截割非線性有限元模型119-130
• 4.3 圍壓對(duì)單鉆頭截割性能的影響130-139
• 4.4 并行鉆采條件下鉆具截割性能研究139-157
• 4.5 本章小結(jié)157-159
• 5 鉆具輸送行為的數(shù)值模擬研究159-188
• 5.1 鉆具輸煤數(shù)值仿真模型159-168
• 5.2 鉆具輸送性能評(píng)價(jià)體系168-170
• 5.3 鉆具輸送行為研究170-187
• 5.4 本章小結(jié)187-188
• 6 鉆具輸送性能的數(shù)值模擬研究188-228
• 6.1 首節(jié)鉆桿葉片缺失長(zhǎng)度對(duì)鉆具輸送性能的影響188-195
• 6.2 鉆頭布置方案對(duì)鉆具輸送性能的影響195-204
• 6.3 煤層方位角對(duì)鉆具輸送性能的影響204-218
• 6.4 轉(zhuǎn)速對(duì)鉆具輸送性能的影響218-226
• 6.5 本章小結(jié)226-228
• 7 結(jié)論與展望228-233
• 7.1 主要結(jié)論228-231
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)231
• 7.3 展望231-233
• 參考文獻(xiàn)233-242
• 附錄242-243
• 作者簡(jiǎn)歷243-245
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集245

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本文編號(hào)：953395