（机械设计及理论专业论文）截齿载荷谱的力学模型及混沌分形特征.pdf

捅要 镐型截齿截割煤岩是采煤机械的一个主要工作过程，它反映工作机构上外 载荷的性质，决定消耗在截割煤岩与机器牵引所需的功率，乃至机器工况的动 力状态，镐型截齿截割煤岩作用力的非线性、煤岩力学行为的不确定性和尚未 形成镐型截齿破碎煤岩的理论体系，制约了高效能采煤机械的发展。采用镐型 截齿破碎煤岩实验装置测试截齿的载荷谱，利用载荷谱蕴含煤岩损伤破碎的信 息辨识出镐型截齿截割煤岩机理及其载荷的特征量和数值量，对安装角度、截 线距、切屑厚度和进给速度镐型截齿的载荷进行正交实验研究，确定煤岩破碎 与镐型截齿几何和力的固有特性及相互作用关系，根据单截齿截割阻力曲线谱 隐含着煤岩破碎性因素以及截齿与煤岩作用的机理，辨识出采煤机滚筒破碎煤 的截割阻力曲线谱，提出了基于单截齿截割阻力实验谱、截齿截割规律及工作 参数来确定滚筒瞬时截割阻力的新方法，建立滚筒截割阻力实验理论综合 模型，给出了截割阻力模型的三种算法，模拟仿真结果表明：截割阻力的特征 和量值均有很好的复合度，反映了破碎煤的规律，实现了工程意义上的定量预 测计算；采用功率谱法和l y a p u n o v 指数从定性和定量两个方面对截割阻力曲 线谱进行研究，结果均说明截割阻力曲线谱具有混沌特征；应用分形理论对截 割阻力曲线谱进行分析，求得不同安装角截齿的截割阻力谱的盒维数和相关维 数，给出了截割阻力曲线谱的分形当量能耗。进而给出镐型截齿破碎煤岩性能 指标的数学描述，实现高效的截割机构个性化设计，为高端采煤机械的研发奠 定基础。 本文有图2 9 幅，表8 个，参考文献6 1 篇。 关键词：滚筒式采煤机；镐型截齿；截割阻力；混沌；分形 a b s t r a c t t h ep r o c e s so fp i c k s h 印e dc u _ t t e rc u t t i n gc o a “sam 萄o rw o r k i n gp r o c e s so f c o a lm i n i n gm a c h i n e r y ，w h i c hr e f l e c t st h ep r o p e n i e so ft h e l o a d s a c t e do nt h e m e c h a f l i s m ；d e t e 咖i n e st h ep o w e rn e e d e df o rc 眦i n gc o a la n dm a c h i n e t r a c t i o na n d t h ed v n a m i c so ft h em a c h i n ec o n d i t i o 巩t h en o n l i n e a ro ft h ef o r c eo fp i c k - s h a p e d c u t t e rc u t t i n gc o a l ，t h e 吼c e r t a i n t yo fc o a lm e c h 撕c a lb e h a v i o r ，a n dt h ei n c h o a t e t h e o 眄s y s t e mo fp i c k s h 印e d c u t t e rb r e a k i n gc o a l ；r e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to f e m c i e mm i n i n gm a c h i n e 巧t h e1 0 a ds p e c t r u m so ft h e c u t t e ra r et e s t e d b y e x p e r i m e m a ld e v i c eo fp i c k s h 印e dc u t t e rb r e a k i n gc o a l ，b ym ei 耐o r m a t i o no f b r o k e na n dd a m a g e dc o a le m b e d d e di n 、m c h ，t h ep i c k s h a p e dc u t t e rc u t t i n gc o a l m e c h a n i s ma n di t sc h a m c t e r i s t i c sa i l dv a l u e so fl o a d sa r er e c o g n i z e d b y n l e o r d g o n a le x p e r i m e m a lr e s e a r c h o nt h ei n s t a l l a t i o na n g l e ，t m s v e r s a ld i s t a n c e ， c h i p “c k n e s s ，f e e dr a t ea n dt h e1 0 a do fp i c k s h 印e dc 仳e r ，t h ep e r i o do fc u t t i n g c o a l 砒l dt h en 蜀瞳u r a lc h a r a c t e r i s t i co fp i c k - s h a p e dc u t t e rg e o m e 仃y 锄df o r c e ，a n dt h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nm e ma r e d e t e r r i l i n e d b a s e do nt h ef a c t o r so fc o a l f r a 鲫e n t a t i o ne m b e d d e di ns i n g l ec u t t e rc u t t i n gr e s i 啦m c ea n dt h em e c h a n i s mo f c u t t e r2 u l dc o a l ，n l ec u t t i n gr e s i s t a n c es p e c t r u m so fd r u mb r e a “n g c o a la r e i d e n t i f i e d ：t h en e wm e t h o do fd e t e n n i i l i n gi l n 肺i n s t a n t a n e o u sc u 钍1 n gr e s l s t a n c el s p r e s e n t e db a s e do ns i n g l e c u t t e rc u _ t t m g r e s i s t a r l c ee x p e n m e ms p e c t n m l ，p l c k c u t t i n g1 a wa n dw o r | ( i n gp 舢e t e r s ；t ：h ee x p e r i m e n t 廿i e o 巧m o d e lo f d 1 1 l mc u n i n g r e s i s t a n c ei sd e v e l o p e d ；t h r e ea l g o r i t h m so fc 眦i n gr e s i s t a i l c em o d e la r eg i v e n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tb o t hc h a r a c t e r i s t i c s 锄dv a l u e so fc 甜i n gr e s i s t a n c e h a v eg o o dc o m p l e xd e g r e e ，r e n e c t i n gm el a wo fb r e a k i n gc o a l ，a c l l i e v i n g t h e q u a n t i t a t i v ep r e d i c t i o nc a l c u l a t i o ni ne n g i n e e r i n gs e n s e b yp o w e rs p e c t l l 肌m e t h o d a i l dl y a p u n o vi n d e x ，t h ec u t t i n gr e s i s t a i l c es p e c 咖i sm m i e df o mq u a l “a t i v ea u l d q u a n t 胁i v et w oa s p e c t s ，t h er e s u l t so fw h i c hs h o wc u m n g r e s i s t a n c es p e c t n l mh a s c h a o t i cc h a r a c t e r i s t i c s t h ec 们i n gr e s i s t a n c es p e c t m mi sa 1 1 a l y z e dw i t hf a c t a l t h e o r y ；t h eb o xd i m e n s i o n s 锄dr e l a t e dd i m e n s i o n so fc u t t i n gr e s i s t a n c es p e c t r u mo f d i f 诧r e mi n s 协l l a t i o na n 9 1 ec 嘣e ra r eg o t ；a u l dt h e 触c t a le q u i v a l e n te n e r g yo f c 们i n gr e s i s t a n c es p e c t m i i l i s g i v e n g i v i n g m a t h e m a t i c a l d e s c r i p t i o n o f d e r f o m a n c ei n d e xo fp i c k - s h a p e dc u t t rb r e a k l n gc o a l a n dr e a n z l n ge t 士l c l e m 一 o 一产 p e r s o n a l i z a t i o nd e s i g n o fb r e d k i n gi n s t i t u t i o n s l a y m e g r o u n d w o r kf o r t h e d e v e l o p m e mo fh i 曲一e n dm i n i n gm a c l l i n e 巧 1 ( e y w o r d s ：d 1 1 j ms h e a r e r ；p i c k s h 印e dc u t t e r ；c 眦i n gr e s i s 诅n c e ； c h a o s ；丘a c t a l i i i 致谢 本文是在导师刘春生教授的悉心指导下完成的。在硕士学习期间，无论 论文的选题、撰写和修改都倾注了刘老师的大量心血，刘老师一步一步将学 生带入学术的殿堂，使我得以感受科学的魅力，刘老师清晰的学术思想，深 厚的学术底蕴，前瞻的学术观点，严谨的治学态度，高尚的人格，务实的工 作作风和为科学事业忘我献身的崇高精神，使学生在学业和思想上终生受益。 学业的顺利完成，离不开亲人的支持和理解。在此之际，感谢我的父母 和姐姐，他们无微不至的关怀和无私的奉献为我学业的完成提供了最坚实的 基础和保障。 最后，向关心、支持和帮助过我，在此难以一一具名的每一位师长，同 学和朋友表示诚挚的谢意! 衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授! 1 绪论 1 绪论 1 1 课题的来源 课题来自黑龙江省东部煤电化工程技术研发平台及“黑龙江省国际科技合 作重点项目硬煤截割工作机构的研究 ，项目编号n 0 w b 0 1 1 0 4 。 1 2 课题研究背景及意义 我国是贫油富煤，且以煤炭为绝对第一能源的国家，2 0 0 9 年和2 0 1 0 年煤 炭产量超3 0 亿吨，占全世界总产量的近5 0 ，同时也是制造和使用采煤机最 多的国家。采煤机是煤炭生产的核心装备之一，“十一五 和“十二五”期间 高可靠、高性能和高寿命采煤机械装备的研制是重点之一，采煤机工作机构 螺旋滚筒是直接与煤岩作用的，随着煤炭工业的不断发展，对其性能的要 求也不断提高，目前各国采煤机广泛使用的截齿主要有刀型截齿和镐型截齿， 刀型截齿对煤炭生产及煤炭工业的发展发挥了重要的作用，其中刀型截齿截割 煤岩理论的研究比较成熟，但不适用于镐型截齿。国内外学者对镐型截齿截割 煤岩机理的研究，基本都是从两者类比分析上进行的，与实际差异较大。截齿 是滚筒式采煤机的主要部件之一，是直接截割煤岩的刀具，研究清楚镐型截齿 截割煤岩的机理可以帮助解决如下问题：研究和制造新型的截割煤岩工作机 构；为设计采煤机的各部分结构提供合理的力学依据；为研究新一代的采煤机 械开辟理论上的道路n 刊，同时有利于煤岩破碎过程的技术经济指标的提高及有 效的截割工艺过程的制定，都与煤破碎理论有紧密联系，探索镐型截齿的截割 煤岩机理，对研制高效的截割煤岩刀具，提高截齿截割煤岩效率有着极为重要 的意义。 截齿截割煤岩机理是采煤机械学科特有的重要研究领域，煤岩的可破碎性 研究及其截齿在截割煤岩过程中的工作机理及作用载荷是煤可破碎研究的主 要内容，由于对于镐型截齿的截割性能及其基础研究还不够，在使用中仍存在 许多问题，给煤炭生产带来很大的损失和影响。因此，研究清楚镐型截齿截割 煤岩机理及其载荷特性，使其能得到更合理地使用，同时给生产带来更大的直 接效益和间接效益，这是采煤机械亟待解决的问题，为此，深入开展镐型截齿 截割性能的研究是非常必要的。 硕十学伊论文 1 3 截割理论国内外研究现状 截齿截割煤岩的机理可以追溯到金属切削机理的研究，但截齿截割煤岩时 完全采用金属切削机理研究时存在许多问题，因为煤岩是各向异性同时又是非 均质的材料。 1 3 1 截割理论的国外研究 2 0 世纪5 0 年代，苏联学者别隆和保晋等人口1 ，对煤岩作了截割试验，并 对截齿的切削机理和切削参数进行了研究，提出了“密实核 学说。 2 0 世纪6 0 年代，英国学者伊万思n 1 提出了以最大拉应力破坏为前提的力 学模型，他认为煤岩在截齿的截割作用下将沿一圆弧线受拉而破坏，并给出了 截齿截割阻力的公式。 2 0 世纪7 0 年代初，日本学者西松晴1 提出一个截齿截割力计算模型，该模 型遵守库仑莫尔准则。 2 0 0 4 年，o z h e k i m o g l u 等人在不同丌采工艺下对各种形式的镐型截齿的 特征参数进行了研究，分析了截齿的受力特点以及对煤岩的破坏形式拍3 。 2 0 0 5 年，s s o m a n c h i 等采用实验方法分析采煤机械滚筒载荷的变化，从啊 载荷谱的观点揭示采煤机械的力学特征盯1 。 2 0 10 年，b t i 够a 妯通过实验的方式研究采煤机能耗与截齿寿命的关系，从 能耗角度分析破碎煤岩机构受力分析状态呻吲。 1 3 2 截割理论的国内研究 西安矿院的牛东民n 州应用断裂力学理论，研究煤岩在截齿截割作用下的 破碎机理，以及截齿截割力的影响因素和变化规律，同时建立了截割力学模型。 辽宁工程技术大学王春华n 2 。川通过截割实验台模拟截齿截割煤岩的实验， 研究了不同截齿截割作用下的煤变形破坏规律，同时应用红外热像进行测量和 研究截齿截割煤岩变形破坏过程，探求截齿截割煤变形破坏规律。 重庆大学雷玉勇等根据煤破碎的宏观现象，采用拉破坏理论建立了截齿截 割煤的力学模型，推导出截齿截割煤岩时的煤断裂角和截齿截割阻力的理论模 型州7 | 。 煤科院王英山以实际滚筒截割模拟煤壁的试验，在滚筒转速相同时，测试 出滚筒的三载荷向力及功率与实际测试结果基本吻合，模拟系统能够较真实地 反映采煤机滚筒截割过程中载荷谱的特性。 2 l 绪论 辽宁工程技术大学李晓豁铲憎3 对截齿截割纯煤层、含有央矸层和含有硬质 体的随机载荷进行模拟，建立了采煤机滚筒载荷的数学模型，得出采煤机滚筒 载荷及其载荷波动情况，对结果进行了载荷统计分析，得出截割载荷的随机变 化与煤岩的不均匀及牵引速度不均匀等因素有关，其模拟结果与实际情况基本 相符。 中国矿业大学段雄等从混沌角度对截齿破碎煤岩动力系统的特性进行了 分析，得出水射流截齿载荷具有混沌特征。 黑龙江科技学院刘春生对采煤机镐型截齿安装角的研究详细分析了镐型 截齿安装角对其受力和截割煤岩的影响并推导出煤质、截齿主要参数与安装角 的定量关系，从而导出镐型截齿齿身与煤不发生干涉的理论设计条件；通过单 截齿截割煤岩试验，进一步证明了理论分析的正确性，分析了截齿齿身与煤体 存在干涉时，对截割阻力的大小和变化规律的影响程度睁2 ：在多截齿重复截 割、截槽非对称的实际截割条件下，建立了非对称截槽的截割力学分析模型和 数学模型，分析了截割深度与崩裂角的理论和实验关系；对镐型截齿截割阻力 序列的混沌分形维数与能耗进行了分析，得到了镐型截齿截割阻力曲线谱具有 混沌特征，并给出了截割阻力序列分形维数与能耗的定量关系，建立了截割阻 力维数的能耗数学模型。 通过以上学者对截齿截割煤岩特性的研究，形成了比较成熟的弹性力学、 断裂力学、损伤力学和分形岩石力学等理论，为本课题的顺利完成提供了强有 力的文献资料支撑。 1 4 课题研究的主要内容 综合国内外学者关于截齿截割机理研究成果的分析，结合刘春生老师主持 的东北煤电化项目大功率采煤机的研制需求，本课题拟对以下五个方面进 行研究： ( 1 ) 研究镐型截齿的截割阻力曲线谱和负载功率曲线谱的相关性。 ( 2 ) 研究单个镐型截齿的截割阻力曲线谱，辨识出多个镐型截齿截割阻 力的特征量和数值量，建立滚筒截割阻力的实验与理论综合模型，对其进行数 值模拟，同时给出采煤机设计的计算方法。 ( 3 ) 研究不同安装角的截割阻力曲线谱的混沌和分形特征，采用功率谱 和l y a p u l l o v 指数的方法对其进行分析；同时求得不同安装角度截齿截割阻力 曲线谱的盒维数和关联维数，建立截齿截割阻力曲线的分形当量能耗数学模 型，并比较不同安装角度截齿的分形当量能耗，进而给出截齿截割煤岩性能的 3 颂十。子：何论文 评价指标。 ( 4 ) 研究负载功率曲线谱的混沌和分形特征，应用功率谱方法和l y a p u n o v 指数方法对其进行分析；求得负载功率曲线谱的盒维数和关联维数，建立负载 功率曲线谱的分形当量功计算模型，并给出其计算方法。 ( 5 ) 建立截齿截割混沌动力系统模型，给出截割系统演变混沌的历程及 煤岩发生跃进破碎的条件。 4 2 截齿截荆载荷力的实验测试 2 截齿截割载荷力的实验测试 2 1 引言 截割阻力是采煤机的设计依据，一般采煤机设计由截割阻力大小选择截割 滚筒的驱动电机功率，进而确定采煤机的其它设计参数，然而截割阻力信号具 有很大的不确定性，其波形上的每一波峰都对应着一次能量释放，使得相应粒 度的煤块分离，表明煤块粒度分布的不均匀性与载荷谱的不规则性有着内在的 联系，这是截齿截割煤岩机理的一种反映。采煤机截割过程极其复杂，工作环 境恶劣，很难现场测试截割阻力信号，而进行地面整机截割试验，又需要大量 资金同时试验周期很长，所以对截割阻力测试是很难办到的。因此，为了获得 截割阻力信号来研究截齿截割煤岩的特性，本章以相似理论为基础，单截齿平 面截割来测试截齿在截割煤岩过程中的截割阻力信争2 2 。2 4 】。 2 2 滚筒式采煤机工作原理及组成 2 2 1 煤层和煤质 煤是滚筒式采煤机械的破碎介质，其性质对截齿的受力、能耗、生产率、 机械的结构形式、机械的寿命和装机功率等都有直接影响。因此研究清楚煤层 的构造特点以及煤的物理机械性能是研究截齿截割煤岩机理的前提。 ( 1 ) 煤层构造特点 煤层的性质对采煤机的工作影响很大，其机械可破碎性是专家们长期探求 和讨论的一个主题，煤层是远古地质时代的沉积物，由于原始沉淀的不同及碳 化变质程度的差异，使煤层的机械性质和煤层的构造在不同地域有很大的差 异，使其含有矸石和硫化铁等硬夹杂物，导致煤是一种非均质、各向异性的脆 性物质。 ( 2 ) 煤的物理机械性质 煤的机械性质是指煤层受到机械施加的外力时所表现出的性质和抵抗外 力的能力，在截割煤岩时可借助于煤的机械性质选择煤作用力的形式、截齿形 状和种类等，因此采用机械开采方式时，了解煤的机械性质尤为重要。 截割阻抗是截齿截割煤岩时煤层抵抗截齿破碎的能力，煤岩的截割阻抗是 表征煤的破碎性能的一个常用指标。煤及硬杂物的截割阻抗如表2 1 所示。 硕+ 学位论文 表2 一l 截割阻抗 1 a b l e2 - lc u 仳i n gr c s i 娠m c e 煤和岩石的名称截割阻抗n 咖+ 1煤和岩石的名称截割阻抗a n 哪! 煤 3 0 4 2 0 碳酸盐夹杂物4 2 0 9 0 0 炭质和泥质和页岩1 8 0 3 3 0菱铁矿夹杂物 3 0 0 8 0 0 粉砂岩 2 4 0 5 4 0 硫化铁夹杂物 4 0 0 1 2 0 0 2 2 2 滚筒式采煤机 采煤机是完成破煤和装煤的机械，在综合机械化采煤成套设备中，是关键 的一个组成部分，滚筒式采煤机由牵引部、截割部、电控部和附属装置等部分 组成，如图2 1 所示， 1 左旋滚筒2 一调高油缸3 一左截割部4 一电控部5 一左牵引部阱行走部7 一电控部 8 一右牵引部9 一右行走部1 0 右截割部1 1 一右旋滚筒 图2 1 采煤机组成 f i g u r e2 一ls h e 眦rc o m p o s i t i o n 牵引部由牵引机构、传动装置和控制装置组成，其作用是借助传动星轮与 齿条的正确啮合，使采煤机沿工作面牵引，进行移动，控制装置通过传动装置 实现减速、加速和换向等功能。 截割部由工作机构、减速装置和调高装置组成，工作机构主要指采煤机的 螺旋滚筒、截齿和挡煤板，电动机通过截割部的减速装置把动力传给螺旋滚筒， 使截齿截割煤岩，通过螺旋滚筒和挡煤板实现装煤，通过滚筒调高装置，采煤 机可适应不同煤层采高的要求。 6 2 截齿截割载荷力的实验测试 电控部由电动机和电气控制部分组成，电动机提供动力，用于驱动截割和 牵引两个部分，电气控制部分主要用以控制电动机的起动和停止、正反转以及 电动机的功率调节等。 附属装置主要包括底托架、电缆水管脱移装置、灭尘冷却装置和防滑装置 丝 号了= o ( 2 ) 螺旋滚筒 螺旋滚筒用来破煤和装煤，其由螺旋叶片、端盘、齿座、喷嘴及筒毂等部 分组成，如图2 2 所示，叶片与端盘焊在筒毂上，筒毂与滚筒轴连接，齿座焊 在叶片和端盘上，齿座中固定用来截割煤岩的截齿，螺旋叶片将落下的煤推向 输送机，为防止滚筒端盘与煤壁发生碰撞，滚筒端盘边缘的截齿向煤壁侧倾斜， 由于端盘上截齿截入煤岩体，其工作条件恶劣，故截线距较小，越往煤壁外截 线距越大。 1 43 l 一端盘2 一叶片3 一防护板4 一筒圈5 一端盖6 一联接盘7 一螺栓8 挡罔9 一齿座 l o 一截齿l l 一齿套1 2 一端面齿座1 3 一端面截齿1 4 一喷嘴 图2 2 螺旋滚筒结构 f i g u r e2 - 2s p i r a ir o i i e rs t r u c t u r e 采煤机的大部分功率都消耗在螺旋滚筒上，滚筒的受力分析是设计和研究 采煤机的基础，滚筒上的作用力主要为参与截割的截齿力与力矩的代数和，由 于煤岩的物理性质的变化、截齿分布的不均匀以及单位时间内截齿工作数量的 不同，滚筒上载荷的大小很难定量的计算。 ( 3 ) 截齿 7 帧十号叫市论文 截齿是滚筒式采煤机上直接用来截割煤岩的刀具，其几何参数和质量对滚 筒式采煤机的工况、生产率、生产成本及能耗有很大的影响，采煤机上的截齿 主要有两类：刀型截齿( 径向截齿) 和镐型截齿( 切向截齿) 。 刀型截齿是沿滚筒径向安装的，根据其前面的形状不同，分为平前面截齿 和屋脊截齿，平前面截齿的结构简单，但截割煤岩时易形成密实核，产生的煤 粉较多，刀具受力大，其适用于中硬及夹矸较小且节理发达的煤层；屋脊状截 齿的强度高，截割煤岩时不易形成密实核，产生的煤粉少，截齿受力相对减小， 其适用于韧性和央矸多的硬煤层。 镐型截齿基本上是沿滚筒切向安装的，其分为圆锥形截齿和带刃扁截齿， 镐型截齿截割煤岩时主要靠齿尖的尖劈作用楔入煤体而将煤破碎，脆性及裂隙 多的煤，适合用镐型截齿，裂隙不发达的韧性煤不易用镐型截齿，因为韧性煤 不易楔入，楔入后煤不易崩落，使截齿被煤岩包住，造成阻力和电动机功率消 耗急剧增加瞳5 | 。 2 3 截齿截割煤岩模拟实验 二卜爱f3 “，一。i _ i 1 2 川。础趟一二以，砖恤 4 ，帆) 曲u 叫_ 叫叫# - 上# 扯曲址肥! 甜舯t v _ = j w 螅 1 一驱动系统2 一齿座3 一截齿4 一煤岩5 一截割阻力 图2 3 单截齿截割煤岩物理模型 f i g u r e2 3t h ep h y s i c a lm o d e lo fs i n g l e p i c kc u t t i n gc o a i 截齿截割煤岩从截齿接触煤岩开始，首先煤岩非线性压密自组织过程，经 过若干个不均匀的小块切削破坏，达到一次大块切削崩落破坏，形成一个完整 周期，如图2 3 截齿与煤岩接触破碎煤岩a 、b 、c 和d 阶段所示，截齿截割煤 岩的各阶段与截齿所受的截割阻力相对应，截齿截割煤岩的过程分为两个阶 段：一个阶段是从截齿开始运动起，作用力逐渐增加，一直增加到对该截割条 件下的最大值；另一阶段是块状煤岩的分离，此时作用力迅速下降，一直下降 到某一定值，对于给定的材料在其它条件都相同条件下，无论是作用力的增长 率还是下降率，都是一个定量指数，其与被截割煤岩的物理机械性能有关，由 于煤岩不是理想弹性固体，当介质中的振动能因摩擦、导热和其他效应而被吸 r 2 戳荫戳刊载衙力的实验测试 收时，所激发的弹性波就会在岩石中受到减弱，这种减弱服从于指数定律。 模拟研究作为一种研究方法，在现代自然科学和技术的各个领域中获得了 广泛应用，在相似模型上研究真实对象中发生的现象和过程的规律，采煤机的 工作机构螺旋滚筒截割电机经齿轮传动链及摇臂调高液压油缸的综合作用下 降截割力传递给截齿实现截割煤岩，而弹性扭矩轴可缓冲突变的外载荷对系统 的冲击，从而保护机械传动系统免受损坏以图2 3 来等效截齿截割煤岩过程。 利用自行研制的试验台进行截齿截割实验，测试镐型截齿截割煤岩时的截 割阻力，整个实验是建立在模拟相似理论的基础上，其包括工作装置与实物的 几何学、运动学和动力学相似，以及被截割的模拟煤试样与实际煤在赋存条件 下的力学性质相似，模型的材料、尺寸和运动参数均符合相似理论推导出的条 件1 2 6 1 。截齿截割模拟煤试样时所受的截割阻力是分析研究截齿的几何结构、参 数及性能的依据，是设计采煤机械工作机构的基础，采用单截齿综合截割实验 台来测试截齿的截割阻力，实验台测试系统包括安装在刀架上的传感器、放大 器和记录仪等装置。 2 3 1 截割实验台 整个截齿截割煤岩实验台由实验台和测试系统组成，其由框架、找平刀具、 压电传感器具、传感器、测力刀具和油缸六部分组成，如图2 4 所示。其中刀 架左右移动距离为0 7 m ，刀架前后移动距离为0 8 5 m 。 卜油缸2 一力传感器3 一压电传感器4 一找平刀具5 一测力刀具6 一框架 图2 - 4 截齿测力装置 f i g u r e2 - 4f o r c em e a s u r e m e n td e v i c ep i c k 9 帧十予：位论文 实验测试系统“ d y 15 型稳压电源、向力传感器、y d 15 动态应变仪、 s c 1 6 光线记录仪、t d 4 0 7 3 型双通道f f t 分析仪、c p f 8 0 e x 记录仪组成， 如图2 5 所示二三向力传感器为八角环形，装在固定镐型截齿的刀架上，镐型截 齿截割煤岩时所受三向载荷力使八角环产生相应的应变，从而引起粘贴其上的 照变片阻值发生变化，利用测量电路对其阻值进行检测。 幽2 5 实验台力洲试系统示意 f i g u r e2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo fb e n c hs t r e n g t ht e s t i n gs y s t e m 2 3 2 截割阻力曲线谱的测试 根据相似理论，以天然煤岩的抗压强度为基准，配置了模拟截割煤岩试样， 由于煤是各向异性的非均质脆性物体，且煤层中伴有层理、节理和火矸，结构 非常复杂，将采集到的各种煤块用手锤捣碎成小块状，并用分选筛选出随径在 1 5 2 5 m m 的小块，选用3 2 5 硅酸盐水泥按煤块1 j 水泥比重量为4 ：l ，制成试样， 其外形尺寸为5 5 0 3 8 0 2 8 0 m m ，用于截齿截割实验，截割实验如图2 6 所示。 图2 6 实验现场照片 f i g u r e2 6e x p e r i m e n t a is i t ep h o t o 1 0 2 截衡截荆载荷力的实验测试 在截割实验台上，分别测试镐型截齿安装角为胪4 5 0 时截割阻力曲线和安 装角为步4 0 0 时截割阻力曲线，其中切削厚度厅萨0 0 1 5 m ，煤的当量截割阻抗 彳俨2 4 0 k n m 的截割阻力曲线如图2 7 ( a ) 、( b ) 所示，镐型截齿的截割阻力曲线 是波动的，其大小及变化与煤块的内部结构、硬度和煤的破碎过程等因素有关。 ( a ) 户4 5 。( b ) 户4 0 。 图2 7 镐型截齿截割阻力实验曲线 f i g u r e2 7t h ec u t t i n gr e s i s t a n c e se x p e r i m e n t a lc u e so fp i c k s h 印e dc u t t e r 2 3 4 截割阻力曲线的离散化 由于采煤机截割中煤岩破碎的速度远远高于工作机构的截割速度，截割阻 力本身就是脉动变化，加上煤岩物理机械性质的突然变化等原因，出现冲击载 荷作用是不可避免的。对图2 7 镐型截齿截割阻力实验曲线进行离散和归一化 处理，即p z z m a x ，其中f 为当量截割阻力，f 为离散采样时间，计算采样 的部分数据如表2 2 和表2 3 所示： 表2 2 采煤机截齿安装角口生4 5 0 截割阻力曲线计算采样数据 塑垒堕三：兰! 生兰塑巳! ! 竖垒塑竺! 坐! 里坠塑旦曼堡! 堕塑堡里竺翌! i 璺丝i ： f 瓜0 1 001 502 0 02 50 3 003 50 4 004 s0s o05 s06 0n6 s fo o o io 1 90 2 7o t 3 2o 3 6o 4 6o 6 6o 7 2o 7 3o 9 4o 2 5o 4 1 硕十学伊论文 表2 3 采煤机截齿安装角脚0 。截制阻力曲线计算采样数据 旦坐；：! 堂! 塑趔竖皇塑! 塑! ! 堕啦堕堕望璺堡! 坚竺! 翌型q ：一一 f s0 1 0o 1 5 0 2 0o 2 5 o 3 00 3 50 4 0 o 4 5 0 5 0o 5 50 6 0o 6 5 fo 1 lo 1 6o 6 90 5 7o 4 20 2 3o 1 6o 2 5o 4 3o 5 60 6 0o 5 7 2 4 负载功率曲线 脉动的截割阻力的冲击作用对截割煤岩生产率的提高影响并不大，考虑到 采煤机电动机和传动装置，以及连接件的可靠性，应尽量减小冲击载荷是有利 的。由于煤岩的各向异性、非均质，以及煤层机械物理性能的随机性，导致采 煤机截割煤岩过程中截割负载的变化十分剧烈，图2 8 为某滚筒式采煤机的实 测负载功率曲线，截割负载的剧烈波动将给电动机及采煤机的机械传动系统造 成严重的威胁，有时甚至引起破坏性事故，因此有必要研究清楚截割负载的频 率特性【2 7 四】，进而提高采煤机的可靠性。 图2 8 采煤机负载功率实测曲线 f i g u f 它2 8t h em e a s u r e dc u r v e so fs h e a r e r si o a dp o w e r 应用快速傅里叶变换对负载功率采样数据进行频谱分析得到如图2 9 所示 的频谱曲线，由图2 9 分析得出，以频率0 3 h z 左右为界，频率高于0 3 h z 的 最大幅值远低于频率低于0 3 h z 的最大值。通常可以忽略负载信号中频率高于 0 3 h z 的分量。 2 截齿截害0 载荷力的实验测试 ；m b 。 ! | t l j f 1 l u - ；_ - 一0 r 一一上一+ 一 。：一 f ：0 fl 2 3 4 芦tj 图2 9 负载功率曲线的f f t 频谱曲线 f i g u r e2 9f f t c u l v e so fs h e a r e r si o a dp o w e r 对图2 8 采煤机负载功率实测曲线进行离散化滤波处理，其中，为离散采 样时间序列，p 为负载功率，离散后数据如表2 4 所示： 表2 4 采煤机负载功率实测部分数据 i j a b l e2 - 4p a nm e a s u r e dd a t ao fs h e a i r e r s1 0 a dp o w e r 如3 7 33 8 33 9 34 0 3 4 1 3 4 2 34 3 34 4 34 5 34 6 34 7 3 4 8 3 j f 恨w8 0 58 4 65 3 77 5 6 3 5 5 99 5 41 0 17 1 78 5 38 3 59 2 3 2 。5 载荷谱的相关性研究 研究证实单截齿截割阻力和负载功率时间序列具有混沌特征，但通常在分 析截割阻力及负载功率特性时，将其认为具有随机性，尽管随机信号和混沌信 硕十学位论文 号在外貌上有许多相似之处，而混沌信号并非完全等同于随机信号，它介于确 定信号和随机信号之间，具有外在的确定性，即由确定非线性方程产生，同时 又有内在的随机性，在混沌吸引子区域内的轨道永远不重复。负载功率混沌信 号具有一定的随机性，但这种随机包含着某些确定的规律，截割阻力变化与截 齿结构和排列布置、采煤机运行参数、煤质参数及地质条件等因素有关，由于 截割阻力随不同的煤层变化很大，引发负载的剧烈变化使截割电动机在工作中 极易发生欠载、过载现象，同时对机械传动系统的动力学特性有着重要影响。 为了更加合理设计采煤机的工作机构和控制系统以及其动力学特性的研究，需 要清楚截割负载功率与截割阻力特性的关系。 分析单齿截割阻力和多齿截割阻力叠加与采煤机负载功率的混沌特征及 相关性，是建立截齿截割阻力数学模型的基础，重点研究单齿截割阻力与负载 功率的关联性，是研究多齿截割阻力叠加与采煤机负载功率和工作参数的综合 数学描述的前提。 对截割阻力和负载功率混沌信号的研究也可采用统计方法，利用互相关函 数计算其统计特性，比较和分辨截割阻力与负载功率两信号的相似程度，互相 关函数是两个信号之间相似性的一种量度，离散截割阻力和负载功率信号的互 相关函数如式( 2 1 ) 所示 巳 q ，( ，) = ：x 0 沙o 一) ( 2 1 ) = o 式中f r 垆，2 ，f 、力分别为采样间隔、时移位数； 卜_ 时域内搜索鼽y 两波形相关程度的独立参数； x 、y 截割阻力、负载功率时间序列。 互相关函数给出了两个信号是否相关的一个判断指标，它能用来确定负载 功率输有多大程度来自单截齿截割阻力，经计算单截齿截割阻力与负载功率的 互相关系数为0 3 到0 3 5 ，说明单截齿截割阻力与负载功率实相关。 2 6 本章小结 ( 1 ) 单截齿与模拟煤岩在相对截割的情况下，模拟实际截齿截割煤岩过 程，利用相似理论建立了单截齿截割煤岩实验模型，测得截齿在不同工况下的 截割阻力，为截割阻力载荷谱辨识截齿截割煤岩机理提供了实验数据。 ( 2 ) 研究单截齿截割阻力与负载功率曲线的相关性，分析得出二者之间 存在实相关，为负载功率曲线谱辨识截割阻力曲线谱的特征提供了理论依据。 1 4 3 截齿截吉0 煤岩力学模型 3 截齿截割煤岩力学模型 3 1 引言 煤岩是采煤机械的工作对象，它的性质对采煤机的截割阻力有直接的影 响，截割阻力的大小是设计、使用采煤机的重要依据。滚筒式采煤机工作环境 的复杂性及煤岩的非均质性，致使采煤机截割过程中很难定量的确定截割阻 力，截齿截割煤岩过程具有非线性，目前对截齿截割煤岩过程的研究方法有以 下几种：力学分析、统计相关分析、实验测试及基本因素分析等方法。 截齿截割截割阻力真实地记录煤破碎过程中的动力学信息，截割阻力曲线 谱看上去是不规则和非周期性的，统计理论视其为随机信号，截割阻力曲线上 的每一波峰都对应着一次能量释放，使得相应粒度的煤块分离，其粒度分布的 不均匀性与载荷谱的不规则性有着内在的联系，都是煤岩破碎机理的一种反 映，研究表明截割阻力信号具有长程不相关性啪一l 32 i 。根据截齿截割阻力曲线 的特点，提出了以单齿截割阻力曲线谱为基础，采用截齿瞬时随机叠加的实验 与理论结合的算法，建立滚筒截割阻力的数学模型并对其进行数值仿真。 3 2 刀型截齿截割学说 英国、日本和前苏联学者对刀型截齿截割煤岩机理进行了比较系统的研 究，形成的学说主要有楔裂学说、剪裂学说和密实核学说等。 3 2 1 埃斯楔裂学说 楔裂学说是由英国学者埃斯提出，认为刀型截齿的切削刃施于煤体，使拉 伸裂缝沿截齿尖护展至自由表面，形成弧状破裂线。根椐力的平衡条件，推导 出截齿截割煤体断裂瞬间的截割力 f 一垄! 堡! ! 璺亟业 1 1 一s i n ( 0 【+ p ) 式中o 。岩体的抗拉强度，m p a ； 办切削厚度，m m ； 6 。刀型截齿切削刃宽度，蚴： 仅楔尖角的半角，。； q 刀具与岩体的摩擦角，o 。 硕十学何论文 澳大利亚学者洛克夫通过实验证实，楔裂学说适用于切肖0 石灰岩、砂岩和 硬石膏的截割过程。驯。 3 2 2 西松剪裂学说 闩本学者西松建立的截齿截割煤岩模型。川，认为煤岩的截割过程遵守库仑 莫尔准则，假设只有前刃面接触煤岩，截齿刃垂