第一章 緒論

1.1 課題研究的背景
隨著全球人口的急劇增加和世界經濟的迅猛發(fā)展，能源供應不足問題逐漸凸顯。石油和天然氣的價格居高不下，引起各國對煤炭的需求不斷增長，我國煤炭年開采量居世界首位，同時也是煤炭消耗大國。年均消耗量占世界的 1/3 之多。近些年，雖然其他能源如天然氣，水力等的消費比重有了很大提高，但煤炭以將近 55%—65%的比重仍然在我國能源消費結構中占據(jù)著主導地位。煤炭行業(yè)穩(wěn)健的發(fā)展對我國的能源供給意義重大，有利于我國國民經濟的可持續(xù)發(fā)展。為了降低煤炭生產成本，提高生產效率，保障礦下生產安全，必須改進生產技術、擺脫傳統(tǒng)的生產方式，實現(xiàn)掘進綜掘化、采煤綜采化、運輸機械化、監(jiān)測自動化。懸臂式掘進機的主要功能是用來截割、裝載運輸、自行走及噴霧除塵，它被廣泛的應用于公路、鐵路的隧道施工和煤礦巷道的機械化掘進領域。其結構如圖 1-1 所示。截割部又稱工作機構，主要由驅動電機、減速器、切割臂、截割頭等部分組成[1]。其中，截割頭是參與破碎煤壁的構件。其作用主要是用來脫落煤，工作時 70%-80%的功率都消耗在截割頭上[2]。截割頭截割性能對整機的工作效率、負載、截割塊煤率、工作現(xiàn)場粉塵量的大小、工作平穩(wěn)性、可靠性及使用壽命都有直接的影響，反映了掘進機的綜合能力，因此，世界各國學者都以提高截割頭截割性能為目標對掘進機截割開展了大量研究與改進工作。
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1.2 課題研究的目的和意義
懸臂式縱軸掘進機是目前機械化掘煤的關鍵設備，在煤礦開采中扮演不可替代的作用。截割頭是掘進機的核心部件，截割煤效率的高低取決于截割頭。截割頭的結構比較復雜，結構參數(shù)很多，同時彼此之間互相影響、制約著截割頭的性能，在設計截割頭時，要綜合考慮結構參數(shù)，對它們選取的好壞會對掘進機的截割性能有著重要影響，工作性能與掘進機的效率、穩(wěn)定狀況和截割煤炭的經濟效益關系密切，反映著整機的綜合性能。討論、分析截割頭運動參數(shù)為優(yōu)化截割頭結構、研究截割頭動力學和探討掘進機較好截割狀態(tài)作下了鋪墊。截割頭的運動參數(shù)包括轉速、橫切速度和鉆進速度。截割部橫切煤時，截割頭一邊繞自己的軸線旋轉，一邊隨著懸臂擺動；截割部鉆進煤時，截割頭一邊繞自己的軸線旋轉，一邊隨著履帶推進。截割頭的載荷大小、波動和截割比能耗與運動參數(shù)有著密切的聯(lián)系，在截割過程中，截割頭的載荷規(guī)律會影響、制約著掘進機的生產效率和使用壽命，要想使掘進機處在較理想的截割狀態(tài)和取得較好的截割性能，就要深入分析研究截割頭運動參數(shù)對掘進機性能的影響，為了獲得匹配合理的運動參數(shù)。本課題首先運用三維設計軟件建立了掘進機截割頭和煤壁三維模型并按實際采煤工況裝配好，然后將其導入顯式動力學分析軟件 LS-DYNA 中進行了截割煤壁的動力學仿真，形象直觀的得到了仿真的整個動態(tài)過程。在后處理軟件 LS-PREPOST 中提取了各個截齒及截割頭的載荷曲線，并對載荷數(shù)值進行統(tǒng)計，對截割頭各個結構參數(shù)和運動參數(shù)進行了討論，同時搭建了截割頭截割煤壁試驗臺，獲取了對應運動參數(shù)下的比能耗。最后結合前文的理論分析，利用遺傳算法，探索截割頭運動參數(shù)之間的合理匹配關系，本文將理論、仿真與試驗三者緊密結合起來，相互印證，為截割頭運動參數(shù)選取、結構設計和掘進機截割操作提供參考價值。
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第二章 煤的性質及煤截割力學基礎

2.1 引言
在煤礦下掘進巷道時，煤是掘進機的切割對象，對掘進機截割頭受力、崩落煤塊度大小、比能耗、工作效率、整機壽命等均有直接的影響。截割頭在破碎煤時，絕大多數(shù)功率都消耗在煤的剝落過程中。因此，需要了解煤的結構特點、物理機械性質以提高掘進機的綜合性能。同時，為研究煤的截割破碎機理，探索掘進機截割頭截割過程的合理結構參數(shù)、運動參數(shù)，以提高掘進機工作的可靠性、穩(wěn)定性，需要對截齒的破煤機理、截割頭及其各截齒的力學特性進行研究。
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2.2 煤的結構特性
煤是億萬年前大量植物埋在地下慢慢形成的。煤在這個過程中形成了自己兩個顯著的特征，即層理和節(jié)理，以致煤各個方位的性質不相同且各處質地不均勻，煤的結構特點概括為以下兩個：（1）原生性構造煤形成時的條件造成了這個特征，如形成煤的大自然的環(huán)境、植物種類等。學者們大多用節(jié)理、層理和非均質等描述煤的這個特點[38]。（2）次生性構造地質動力和地殼運動造成了這個特征，一般用裂隙和斷裂來描述[38]。煤的結構非常復雜，含有各種成分。很多情況下，在煤層里夾雜著比煤強度高得多的巖石夾層，即夾矸，夾矸含有炭質、粘土質、粉砂巖等。通常情況下，煤的脆性比較明顯，掘進機截割頭在截割煤壁過程中，煤的破壞形式大多表現(xiàn)脆性破壞。而且脆性越明顯的煤越容易破碎，切割時所需要的能量就越少。相反，彈塑性比較明顯的煤越不容易破碎，切割時所需要的能量就比較多。（5）煤的摩擦腐蝕性掘進機在截割煤壁的過程中，截齒總是會受到摩擦阻力的作用，摩擦阻力會消耗截齒的許多有用功，同時其表面受到不同程度的磨損，增加截齒截割阻力，使截齒表面發(fā)熱，掘進機截割頭截齒與煤體間的摩擦系數(shù)μ不僅和鎬形截齒的材料有關，而且與截割頭截割速度和截齒對煤壁的壓力有關。
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第三章 基于 LS-DYNA 截割頭截割煤壁數(shù)值模擬........ 19
3.1 引言..... 19
3.2 LS-DYNA 簡介........19
3.3 LS-DYNA 算法特點...... 19
3.4 LS-NYDA 分析的一般流程........24
3.5 掘進機截割頭截割煤壁數(shù)值模擬....24
3.6 本章小結....33
第四章 掘進機截割頭結構參數(shù)的研究........35
4.1 引言..... 35
4.2 截齒角度對截割性能的影響.....35
4.3 截線距對截割性能的影響......... 41
4.4 切削厚度對截割性能的影響.....45
4.5 本章小結.....46
第五章 掘進機截割頭運動參數(shù)的研究........49
5.1 引言..... 49
5.2 轉速對截割性能的影響.......49
5.3 橫切速度和鉆進速度對截割性能的影響.....56
5.4 本章小結....62

第七章 遺傳算法在截割頭運動參數(shù)優(yōu)化設計中的應用

7.1 引言

橫截工況中的運動參數(shù)，即橫切速度和轉速，與截割頭單位時間產煤量、載荷波動和截割阻力所消耗的有用功大小聯(lián)系密切。由前面章節(jié)討論得出，橫切速度越大，崩落煤塊的體積便增大、比能耗呈現(xiàn)遞減趨勢，截割頭受力呈現(xiàn)遞增趨勢，導致提高截割功率；轉速越大，截割頭受力呈現(xiàn)遞減趨勢，但使截割現(xiàn)場粉塵濃度提高。鑒于橫截工況中運動參數(shù)與截割頭工作性能之間的繁雜關系，本課題利用遺傳算法（GeneticAlgorithm）來對橫切速度和轉速進行優(yōu)化，探索兩者之間的最佳組合關系，，從而取得較好的截割性能。遺傳算法是一種根據(jù)自然界生物進化過程開發(fā)出來的求解最優(yōu)解的優(yōu)化算法，其模擬基因重組與生物進化的自然過程，將要求解問題的變量用二進制碼或十進制碼即基因加以處理，多個基因交配為一個染色體（個體），多個個體通過自然選擇、配對交叉和變異，經過若干次迭代直到獲得最優(yōu)解[66]。選擇又稱復制，是在種群中挑選生存能力優(yōu)越的個體形成新的種群的現(xiàn)象。遺傳算法通過選擇算子來選擇去除種群中的個體。選擇運算的作用是防止遺漏較好的個體，增加群體收斂能力和運算速度。選擇算子選擇的優(yōu)劣，關聯(lián)到求解結果的精確度。交叉又稱重組，是指把兩個彼此結合的個體通過一定的辦法互換它們的某些編碼，以致產生兩個新的生命。交叉運算是遺傳算法獨有的性質，新生命大多數(shù)都是依靠這種途徑誕生。變異，是指把染色體里的若干基因座的編碼取代為這些基因座的剩余等位編碼，以致產生一個新的生命。變異運算是形成新生命的協(xié)助手段，通過變異算子和交叉算子彼此協(xié)調起來，才能實現(xiàn)對解空間的局部和全局搜索。

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結論

（1）發(fā)現(xiàn)截割頭所受的三向阻力周期變化，這和截割頭上截齒的布置方式存在聯(lián)系；同時由受力圖表明，由于截齒在截割煤壁過程中煤壁的崩落效應及截齒工作的不連續(xù)，因此截割頭所受到的載荷是隨機波動變化的。
（2）當截齒切削角為 45°時，截齒截割阻力的均值和最大值取得最小，截齒所受的截割阻力曲線波動最為平穩(wěn)，取值最為均衡，同時煤壁所受到的等效應力最值最小。當截齒傾斜角為 15°時，截齒所受切削力和側向力較 5°、10°、20°小，此時截齒單側磨損現(xiàn)象較輕，提高了截齒、齒座等的壽命，改善了截齒的截割性能。
（3）當切削厚度一定時，截線距越大，截齒的截割阻力、扭矩、比能耗均呈現(xiàn)遞增趨勢，存在一個最佳截線距使得截齒截割時能夠充分利用煤壁崩落效應，截割效率較高，同時比能耗較小。當截線距一定時，切削厚度越大，截割力和力距呈現(xiàn)遞增趨勢，提高了崩落煤塊的體積，降低了截割現(xiàn)場的粉塵濃度，但是切削厚度過大會導致截齒及齒座加速磨損甚至損壞，引起機身劇烈振動，導致截割頭對煤不能進行順暢破碎。
（4）截割仿真截割頭載荷統(tǒng)計值表明，當橫切速度或鉆進速度一定時，轉速越大，比能耗呈現(xiàn)遞增趨勢；但是截割頭上的截割力及扭矩呈現(xiàn)遞減趨勢。當截割頭轉速一定時，橫切速度或鉆進速度越大，截割頭上的截割力及扭矩平均值呈現(xiàn)遞增趨勢；但是比能耗呈現(xiàn)遞減趨勢。
（5）截割試驗數(shù)據(jù)表明，轉速越高，截割頭所受三向阻力和負載扭矩呈現(xiàn)遞減趨勢，比能耗和轉速形成指數(shù)形式增長曲線；橫切速度越高，截割頭所受三向阻力和負載扭矩呈現(xiàn)遞增趨勢，而比能耗與橫切速度構成雙曲線減小趨勢，同時，這與有限元軟件LS-DYNA 仿真所得的結論是一致的。
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參考文獻(略)

本文編號：128460