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保护层开采钻式采煤机截齿耐磨性研究

王雁翔  
【摘要】:保护层开采是防治煤与瓦斯突出最有效、最经济的区域性防突措施,保护层多为薄或极薄煤层,煤层硬度大,主要用钻式采煤机开采,而作为保护层开采的截割刀具,镐形截齿的使用寿命和截割性能直接影响保护层开采的效率和成本。本文针对保护层开采过程中镐形截齿磨损失效的问题,采用理论分析、仿真与试验相结合的方法,研究钻式采煤机钻头筋板截齿不同安装角对截齿磨损和截割阻力的影响,以获得既能满足截割保护层煤岩需求,又可有效减低镐形截齿磨损失效率的截齿安装角度。 在前苏联学者截齿截割力模型的基础上,分析磨损截齿与未磨损截齿的受力模型;从避免截齿齿身与煤岩干涉磨损的角度出发,研究筋板截齿的切削角与旋转角对切削效果的影响;在保证截齿工作性能良好的前提下,建立截齿轮廓线与煤岩截槽在截齿轴线与钻进方向所成的平面内投影的数学关系方程,并以U43KL/C22型截齿为例进行计算,得到了截齿与截槽不干涉时的安装角度,为钻式采煤机截齿的磨损研究提供理论依据。 根据保护层煤岩选择标准,介绍保护层煤岩的结构特性和物理-机械性质;分析保护层开采过程中截齿磨损失效对截割过程影响;根据磨料磨损简化方程确定截齿截割过程中影响磨损量的主要因素,并分析煤的磨料磨损性,为保护层开采钻式采煤机截齿磨损的仿真与试验研究的参数选择提供指导。 在简要介绍有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA和离散元软件PFC3D的基础上,根据保护层煤岩物理特性,建立了单齿钻进截割有限元模型,利用ANSYS/LS-DYNA软件仿真16组不同安装角镐形截齿对保护层煤岩模型的截割,得到截割过程中截齿表面的受力情况;在煤岩离散元单轴抗压仿真的基础上建立单齿截割离散元模型,利用PFC3D离散元软件仿真16组不同安装角截齿对煤岩模型的截割,得到截割过程中截齿表面不同区域所受的截割阻力。 以原有截割试验台为基础设计单齿钻进截割钻头,根据截齿本身合金头与齿身硬度的比例关系,采用低硬度材料代替原有合金头材料和截身材料制造模拟试验截齿,以缩短试验时间和试验煤壁的消耗;根据单轴抗压试验得到的不同配制比例试件的平均应力应变曲线,以天然煤岩为计算基准,按照设计钻头的尺寸,计算试验煤壁的抗压强度,配制符合要求的试验煤壁;用模拟试验截齿进行单齿钻进截割试验,获得不同安装角度截齿的磨损情况。本文的研究对确定筋板截齿合理的安装角度、提高截齿的耐磨性具有理论意义与实用价值。


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