悬臂式掘进机截割过程动态特性分析与性能预测

论文摘要

高效机械化掘进是保证矿井实现高产高效的必要条件，也是巷道掘进技术的发展方向。悬臂式掘进机作为巷道掘进主要设备，逐渐向着大功率、大机重、自动化方向发展。随之而来的是掘进机运行中的动力学问题更加突出，从而会对掘进机截割性能产生重要影响，根据掘进机的实际运行状况，掘进机的振动主要集中在截割头部位，因此研究截割过程的动力学特性，并依据动力学特性进行性能预测具有重要的实际意义。在系统归纳了国内外学者研究成果的基础上，分析截割过程的研究现状和不足，从而提出本文的研究内容，然后通过理论分析、数值仿真、现场实测和实验研究相结合的方法，对截割过程进行了深入的研究，主要研究内容和结论包括：1.在广泛分析镐齿岩石破碎机理的基础上，确认前苏联学者所用切削理论和切削力计算公式比较符合悬臂式掘进机截割头镐齿的截割状况，在此基础上，分别建立截齿与齿座之间无间隙振动模型和间隙非线性振动模型，并对考虑间隙非线性的振动模型应用Matlab进行了仿真研究，依据其动态响应确定出合理的截齿与齿座间隙范围，经过仿真分析和试验验证，可以为截齿与齿座间隙范围的确定提供一定的理论依据。2.根据掘进机的实际工况，在考虑到煤岩作用力的随机性、截齿间隙非线性、行星齿轮传动的非线性等影响因素的情况下，建立掘进机扭转振动的非线性动力学模型。该模型考虑了掘进机截割过程中的主要影响因素，为具体分析掘进机截割过程的动力学问题和性能预测提供了理论基础，经过数值仿真之后的数据与现场实测数据比较吻合。3.考虑机械结构部分和液压系统之间的耦合作用，通过静力学计算出升降油缸和摆动油缸在摆动截割过程中所需要提供的主动力，据此分析出摆动截割中回转台在升降和回转油缸共同作用下的回转振动情况，从而建立了掘进机摆动截割时的系统耦合动力学模型。4.对掘进机扭转振动的非线性模型进行了仿真分析，研究确定和随机煤岩作用力、不同工况参数匹配性等因素对于掘进机截割头的动态响应的影响。采用数值方法对各种因素影响下的动力学方程进行求解和仿真，得到截割头动态响应。通过和现场采集数据的对比，可以认为仿真模型比较接近实际情况。对掘进机摆动截割时的机械-液压耦合动力学模型进行数值仿真，依据仿真结果对摆动截割参数进行优化。5.通过对掘进机截割过程的非线性动力学模型进行仿真研究，应用仿真模型依据仿真结果进行掘进机性能预测。依据仿真结果，应用预测模型对掘进机的生产率、瞬时切削率和截齿消耗进行了预测，通过与现场实际数据对比，预测性能与现场数据比较接近，可以作为掘进机生产厂家和施工方进行性能预测的一种方法。6.通过截齿截割试验台进行截割实验。得到不同截割速度、不同间隙下截齿的截割规律，并与动力学模型的仿真结果进行比较分析。为准确确定掘进机截割阻力提供了依据。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 掘进机在国内外的应用与发展概况
• 1.1.1 掘进机的应用概况
• 1.1.2 国外掘进机的应用和发展
• 1.1.3 国内掘进机的应用与发展
• 1.1.4 掘进机发展趋势
• 1.2 国内外掘进机理论研究概况
• 1.2.1 掘进机理论研究现状
• 1.2.2 掘进机理论研究的不足
• 1.3 主要研究内容
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 选题意义
• 2 截齿岩石破碎理论基础与截割实验
• 2.1 掘进机截割头截割岩石的特点
• 2.2 岩石切削机理与切削力计算
• 2.2.1 岩石切削机理
• 2.2.2 镐齿切削力计算
• 2.3 截齿截割岩石时的振动
• 2.3.1 不考虑间隙非线性的截齿截割动力学模型
• 2.3.2 考虑间隙非线性的截齿动力学模型
• 2.4 影响截齿岩石截割效率的因素分析
• 2.4.1 截割头结构参数选择
• 2.4.2 工况参数选择
• 2.5 截割岩石过程中截齿的磨损
• 2.5.1 截齿磨损类型
• 2.5.2 截齿磨损强度计算
• 2.6 截齿截割实验
• 2.6.1 截割试验台工作机构及液压系统
• 2.6.2 截齿截割阻力及截割路程测试实验
• 2.6.3 截齿截割实验测试数据分析
• 2.7 本章小结
• 3 悬臂式掘进机截割过程动力学建模
• 3.1 掘进机截割机构结构组成及工作过程
• 3.2 截割头受力分析
• 3.3 掘进机截割系统振动的影响因素
• 3.3.1 岩石的性质及截齿载荷变化
• 3.3.2 升降油缸和回转油缸的振动
• 3.4 掘进机截割过程非线性动力学模型
• 3.4.1 截割头扭转振动模型
• 3.4.2 摆动截割机构机械—液压耦合模型
• 3.5 本章小结
• 4 悬臂式掘进机截割过程非线性动力学方程求解及动态响应分析
• 4.1 确定煤岩作用力条件下扭转振动多自由度动力学方程仿真分析
• 4.1.1 煤岩性质引起的载荷变化对截割机构的影响
• 4.1.2 掘进机工况参数变化对截割机构的影响
• 4.2 随机煤岩作用力条件下扭转振动多自由度动力学方程仿真分析
• 4.2.1 煤岩性质引起的载荷变化对截割机构的影响
• 4.2.2 掘进机工况参数变化对截割机构的影响
• 4.3 摆动截割过程机械—液压耦合模型仿真研究
• 4.3.1 回转半径变化对摆动截割的影响
• 4.3.2 升降和回转油缸压力变化
• 4.3.3 截割油缸压力和活塞杆位移测试分析
• 4.4 本章小结
• 5 悬臂式掘进机截割头截割性能预测
• 5.1 与截割性能预测相关的参数
• 5.1.1 待掘岩石特性
• 5.1.2 巷道地质条件
• 5.1.3 工作机构选择
• 5.1.4 工作面几何参数及布置
• 5.2 掘进机截割性能预测
• 5.2.1 截割性能预测数学模型
• 5.2.2 截割性能预测实例
• 5.3 本章小结
• 6 悬臂式掘进机截割头仿真数据与实测数据对比分析
• 6.1 实测数据
• 6.2 仿真数据
• 6.3 实测数据与仿真数据对比分析
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 研究结论与创新点
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集
• 附件