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采煤机异形滚筒性能研究

刘洋洋  
【摘要】:为提高煤炭资源回收率和延长矿井服务年限,实现煤炭行业的可持续发展,以前很少、甚至不开采的难开采煤层,如薄煤层、夹矸、含硬包裹体等煤层也必须开采。在煤炭开采过程中,采煤机的截煤和装煤至关重要。滚筒截割硬煤割不动、装煤效果差已成为阻碍煤炭开采效率提高的关键问题。因此,对滚筒结构进行改进并开展滚筒截煤、装煤性能研究对机械化开采技术的发展具有重要意义。本文采用理论分析、有限元软件仿真研究、离散元软件仿真研究和试验研究的方法,对比研究设计的异形滚筒与普通形滚筒的截煤性能、装煤性能。针对当前结构形式的滚筒,开展了滚筒截煤理论的研究,并对滚筒截煤过程进行了简要分析。本文基于散体力学理论和单体力学理论,对抛射装煤机理和推挤装煤机理进行了分析。根据滚筒的结构特点,用单位时间内滚筒的装煤量来表示滚筒的装煤性能,推出易于计算滚筒装煤能力的表达式。建立滚筒-煤壁三维仿真模型,分析普通形滚筒与异形滚筒截割煤岩时所受的扭矩和牵引阻力。研究结果表明:在截割效率相同的情况下,除第一刀,阶梯形滚筒截割煤岩时所受的扭矩及牵引阻力均小于普通形滚筒,说明该新型滚筒的截割性能要比普通形滚筒更加优异,从而为新型采煤机滚筒的设计研究提供了参考依据。另外,对阶梯形滚筒结构做了进一步的优化设计,当前筒毂直径与后筒毂直径相同时,阶梯形滚筒截煤性能最优。基于离散元基本理论,建立了滚筒装煤过程的仿真模型,分析普通形滚筒与异形滚筒装煤率。研究结果表明:由于鼓形滚筒的过煤空间从采煤面到采空面线性增大,其装煤率要高于普通形滚筒。另外,对鼓形滚筒结构做了进一步优化设计,当筒毂锥角为80°时,鼓形滚筒装煤性能最优。以煤岩截割试验台为基础,对加工的异形滚筒的截煤性能、装煤性能进行试验分析。以天然煤样的抗压强度为主要模拟量,配置了人工煤壁,为滚筒截煤、装煤特性研究提供了试验基础。通过对比数值模拟和试验过程中煤壁破碎形态及截割载荷大小,验证了仿真模型的有效性。基于机构动力学分析将铣槽装置简化为连杆机构,进行运动学轨迹仿真分析,研究表明:新型旋挖式滚筒在理论上可以满足一个工作行程截割后的剖面近似为方形的功能。对旋挖式滚筒的主体结构进行截煤、装煤仿真,研究表明,由于旋挖式滚筒装煤过程处于半封闭状态,煤炭颗粒从旋挖式滚筒缺口直接排出至刮板输送机上,因此其装煤性能要好于普通形滚筒。


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