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钻削式采煤机钻削系统振动特性研究

崔新霞  
【摘要】:钻削式采煤机是薄与极薄煤层开采的关键装备,主要针对0.4~0.8m的极薄煤层研制而成,具有机械化水平高、煤炭回收率高、可真正实现工作面无人跟机操作等优点,对提高现有极薄煤层开采的机械化程度、采煤生产率以及企业的经济效益具有重要意义。为此,本论文采用理论分析、仿真和试验相结合的方法,遵循截齿-钻头-单钻杆-三钻杆的研究思路,开展井下钻削式采煤机钻削系统振动特性研究。 论文以煤岩截割理论为基础,以减小单齿截割力、降低截齿与煤岩干涉、磨损为目的,建立钻头截齿-煤岩接触模型;在此基础上基于粘弹塑性理论,建立煤岩性质力学模型和钻头截齿-煤岩互作用数值模型;分析并掌握不同安装参数条件下截齿的受力状态,指出截割阻力随切削角和倾斜角的增大而增大,而推进阻力随切削角的增大而增大、随倾斜角的增大而减小的变化关系。 为开展钻削式采煤机钻削系统振动特性研究,对已有的煤岩截割试验台进行改进,研发了单钻杆和三钻杆钻削式截割试验台,其由钻削式采煤机钻削系统、试验台主传动系统以及测试系统构成,研制试验用钻头、截齿;进而,以相似理论为基础,以天然煤岩抗压强度为主要模拟量,进行四种不同抗压强度煤样的配置,分别可模拟坚硬度系数f为3.60、2.88、2.07、1.43的煤岩,为钻削式采煤机钻削系统振动特性研究提供实验基础。 为研究钻削系统的振动特性,降低或抑制外部因素导致钻削式采煤机的振动和冲击,基于有限元方法,建立钻头钻削煤层的数值力学模型,分析钻头的开孔和扩孔过程及三向力变化趋势;基于振动基础理论以及模态分析方法,分析单钻头钻削机构的固有频率及其振型。研究表明,单钻头钻削机构纵向振动固有频率高于扭转振动固有频率,且随着钻进深度的增加,纵向/扭转振动固有频率迅速下降。 基于多体动力学理论,建立单钻头、三钻头钻削系统与煤岩互作用系统非线性动力学模型,分析钻削机构在不同煤岩硬度、不同钻进深度和不同运动参数条件下的振动特性,并利用建立的单钻杆和三钻杆钻削式截割试验台进行试验与理论对比研究。研究表明,单钻头、三钻头钻削机构振动规律较为一致,但三钻头相比单钻头钻削机构各节钻杆的振动情况加剧,并且单钻头和三钻头钻削机构受到的进给阻力和钻削扭矩均随着煤岩硬度、钻进深度的增大而增大,随着转速的增大而减小。 为研究钻削过程中,钻头扭矩、钻杆振幅随时间变化规律与煤岩钻削破碎的内在联系,进行钻削系统载荷的非线性特征研究,基于混沌理论对不同煤岩硬度、不同转速和不同钻进深度条件下钻削系统载荷序列的相空间图及最大Lyapunov指数等计算分析,研究表明钻削系统载荷序列具有明显的混沌特征;基于分形理论对不同工作条件下钻削系统载荷序列进行无标度性和自相似性分析。研究表明,钻削系统载荷序列具有明显的分形特征;同时得出最大Lyapunov指数和分形维数与煤岩硬度、转速和钻进深度之间的关系,并对钻削系统载荷序列具有混沌和分形特征的原因进行分析。 基于变分原理,建立钻杆的等效非线性动力学微分方程,采用无量纲处理并得到钻杆的屈曲变形方程,分析了在轴向外载荷作用下,钻杆的屈曲振动行为,并求出临界屈曲载荷和相应的振型。研究表明,可以通过计算振动频率随轴向载荷的变化来判断钻杆屈曲形态的稳定性。


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