硕士开题报告分析

1、西安科技大学硕士生学位论文开题报告研究生学号：*研究生姓名：*导师姓名：*学科专业：机械工稈年级：研201；级院 系（部）机械工程学院西安科技大学研究生部制2015年3月13日填写目录1选题背景及目的 11.1选题背景及意义 11.2选题目的 32滚筒采煤机滚筒的发展情况及振动截割技术在煤矿机械中的研究动态 42.1滚筒采煤机滚筒的发展情况 42.2振动截割技术在煤矿机械上的研究动态 43采煤机振动截割滚筒的研究方案 83.1本课题拟研究内容及研究方法 83.2本课题拟采取的研究技术路线 93.3本课题预期达到的目标 94课题研究过程中可能遇会到的难题 105本课题的进度安排 10参考文献 1

2、1西安科技大学硕士学位论文开题报告西安科技大学硕士学位论文开题报告采煤机振动截割滚筒研究1选题背景及目的1.1选题背景及意义现代机械化长壁采煤工作面中，滚筒式采煤机在所有机械化采煤设备中的使用量占 到90%以上，直接影响着采煤效率和成本。滚筒式采煤机功能强大种类繁多。根据滚筒 数量，可将滚筒采煤机分为单滚筒采煤机和双滚筒采煤机，双滚筒采煤机可免开缺口， 能适应较复杂的顶、底板条件，采高范围大能，能截割硬煤，调高方便，而单滚筒采煤 机只用在薄煤层中，如今很少使用 ；根据牵引方式，滚筒采煤机又可分为有链牵引滚 筒采煤机和无链牵引滚筒采煤机，其中无链牵引滚筒采煤机移动平稳、振动小、故障率 低、寿命长

3、、可适应大倾角（最大达54°条件工作、可实现工作面多台同时工作，提高 了工作效率，并且可避免断链事故 。随着技术的发展和对大倾角煤层的开采需求，有 链牵引滚筒采煤机逐渐被无链牵引滚筒采煤机取代。因此本文所阐述的滚筒采煤机主要 指无链牵引双滚筒采煤机。现有的滚筒采煤机切削煤层的机理实质是借助采煤机牵引力使滚筒造成对煤壁的挤 压力3，再使滚筒旋转以实现落煤，与平铣刀铣削工件类似，采用了滚筒平稳铣削煤层 的方法。滚筒采煤机切削煤层的这个过程，可总结为：平稳落煤、装煤、摇臂摆动一一反向一一推进一一平稳落煤、装煤、摇臂摆动。近几年来，虽然国内能源资源状况略有调整，许多新型能源不断开发利用，加上

4、金 融危机的影响，整个煤炭行业处于低迷状态，但煤炭资源作为主体能源的地位将在很长 一段时间内不会改变。滚筒采煤机作为高产高效综合机械化采煤的关键设备，理所当然 会随着采煤技术及当代社会对低能耗、高效率、高产量的需求而不断革新和发展。滚筒是采煤机截割部的关键部件，其承担着落煤、装煤及喷雾降尘等任务，消耗的 功率占约整个采煤机功率的80%90% 4。其结构性能的优劣与采煤机的生产能力、比 能耗、工作时的负载状况、截齿的受力情况、块煤率、粉尘量等重要性能指标密切相关。通过查阅文献可见，前人在采煤机截割滚筒的研究方面已经取得了许多成果5-14，这为寻求滚筒零部件更适合实际工况的结构尺寸、材料类型、零部

5、件加工工艺及改善采煤 机截割部的截割性能起到了关键作用。然而，纵观国内外的研究会发现，尽管许多科研 人员为提高采煤机截割性能和寿命做了诸多研究，但现代机械化连续采煤中还是存在许 多不足之处，特别是针对较难开采的煤层（如薄煤层、大倾角煤层、夹矸煤层、小断煤 层、极硬质煤层），这些缺陷越发明显。具体表现如下：1）截齿的磨损严重。在实际采煤工作中，特别是在开采硬质煤层或夹矸煤层时，截 齿切削煤层过程中，由于截齿与煤岩的摩擦，其局部温度上升很快，使其极易磨损（尽 管截齿可以在齿座中旋转而自锐）失效。虽然研究人员不断地设计新型高耐磨性截齿， 但采掘那些难开采煤层时，改善效果依然不明显。2）截齿受载荷较大

6、。现在的采煤机理，大多都是依靠滚筒上截齿对煤岩的挤压，使 煤层局部崩裂而落，在煤层产生裂纹之前，截齿上的载荷会急剧增加（经磨钝了的截齿 表现尤为明显），而一旦裂纹产生，煤层会迅速崩溃，截齿上的载荷又会突然降低，这相 当于对截齿施加了周期性的阶跃载荷，很容易引起截齿的疲劳断裂和磨损。3）能耗比高。近年来，国内外的采煤机都在向大机型大功率方向发展，虽然实践证 明，机重和功率越大，生产效率可相对提高，但能耗比也在不断增大。4）煤块率低。现有滚筒式采煤机利用平稳切削方式落煤，此方法很好地发挥了截齿 剪切力作用，利用了煤抗剪切力低，易于剪切破碎的特点，但是，当单个截齿与煤壁作 用时，由于截齿切入煤壁深度

7、浅，同时截齿速度方向始终与新切削煤壁相切，所以破碎 角小15，能量损耗相对较多，其落下来的煤块就很小。5）粉尘量大。近几年来，社会不断提倡人性化生产，注重环境保护，而平稳切削采 煤过程，因破碎煤块小，会产生大量的粉尘，尽管滚筒上设有喷雾灭尘系统，但连续机 械化采煤时，粉尘量还是相当大，这对工人的身体健康危害很严重。此外，随着煤粉尘 量的不断累积，达到一定浓度后就会为井下安全生产带来隐患。为了延长矿井的服务年限，提高资源的回收率，对那些较难开采的煤层（如薄煤层、 大倾角煤层、夹矸煤层、小断煤层、极硬质煤层等，在许多矿井中煤的赋存量约占该矿 井总煤炭储量的20%左右16）的开采利用日益重要。开采这

8、些煤层时，采煤机将面临更 大挑战，滚筒截割切削的将不是单纯的煤，而更多的是硬质煤或夹煤矸石。滚筒采煤机是现代长壁工作面采煤技术中关键设备，在相当长一段时间内还无法被 其他类型采煤机完全替代，而对于现有滚筒采煤机，如何通过改进技术从而提高难开采 煤层煤块率、减少粉尘量、降低比能耗、改善截齿的受载情况从而提高其使用寿命，乃 至为煤炭生产企业提高经济效益，将是现代滚筒采煤机的设计研发工作中面临重要课题。为了解决现有滚筒采煤机的缺陷，查阅资料发现，许多国内外研究学者在不断研究 新型采煤技术以替代平稳切削技术，煤岩冲击破碎技术研究较多，比如，落锤对煤岩撞 击破碎作用、圆柱杆件的冲击作用及冲击波的传播、抛

9、射体对岩石类材料的撞击作用、 高压水射流的冲击破碎作用、冲击凿岩机对煤岩的冲击扭转作用以及其他形状器具的冲 击研究等15。而对煤岩冲击破碎研究中比较有名的是惯性冲击振动切割技术，该技术在上世纪末,在我国与前苏联的合作下已经成功应用于 ELMB 75C、120C掘进机上，因为振动截割是 在主扭矩上叠加了一个按正弦规律变化的附加扭矩，截割过程实现变力冲击截割，更容 易破碎煤岩，从而使掘进机比能耗降低了 20%30%、提高了截齿寿命及降低粉尘量17振动截割技术是一种高效节能的先进技术18，其实质就是将瞬态载荷施加在煤岩中， 产生的应力脉冲作用于煤岩的裂缝中，引起裂纹的高速扩展、分叉，乃至破碎。此外此

10、 技术改善了截齿受力情况，振动的截齿使截槽断面变宽，从而降低截齿侧面所受的粘附 力和摩擦力。毋庸置疑，将此技术应用到滚筒采煤机上，将会解决其当前面临的一些缺 陷，所以，研究采煤机振动截割滚筒具有重要意义。鉴于此，本文通过研究滚筒采煤机惯性冲击振动切割技术来解决现有滚筒采煤机遇 到的技术难题，为难开采煤层采煤机的设计提供理论依据。1.2选题目的选择采煤机振动截割滚筒的研究为题的主要目的：1）对采煤机振动截割滚筒振动器的工作原理进行分析阐述，说明其扭振机理，指出 其减小截割阻力和降低比能耗的原因，为采煤机振动截割滚筒能够在井下工作面中有效 工作提供理论支持；2）建立采煤机振动截割滚筒的动力学模型，

11、对截割滚筒振动器进行动力学分析，为 采煤机振动截割滚筒的研制提供参考；3）改变振动器的偏心距和质量等相关参数，寻求提高振动器工作性能（减小截割阻 力）的适宜参数，拟合出其相关参数与截割力之间的定量关系，为振动截割滚筒采煤机 振动器的设计提供理论依据。2滚筒采煤机滚筒的发展情况及振动截割技术在煤矿机械中的研究动态2.1滚筒采煤机滚筒的发展情况六十年代，欧洲一些国家研制出了可调节截割滚筒高度的滚筒采煤机，与此同时， 还研制出了螺旋叶片式截割滚筒，替代了以前的圆筒形截割滚筒，大幅度提升了滚筒的 装煤能力19。1995年，土耳其学者O.Z. Hekimoglu5对滚筒上不同位置处截齿进行了受 力分析，

12、指出端盘截齿较叶片截齿受力大，且磨损较快，并指出了径向截齿采掘硬煤的 弊端。2003年，美国学者Rizwan A. Qayyum通过改变截齿的类型进行截割试验，研究 了滚筒截割比能耗、可呼吸性粉尘量、滚筒载荷与截齿的关系。2005年，土耳其学者E.Mustafa Eyyuboglu和Naci Bolukbasi通过改变滚筒上截齿排列以研究其对其截割性能 的影响，并阐述了截齿周向角度的布置对截割载荷影响不大。上世纪70年代，国内比较先进的煤炭企业主要依靠进口采煤机进行煤炭生产，技术 人员通过对进口采煤机拆装分析和研究，探索研究采煤机滚筒设计理论，对采煤机的研 究处于引进消化 仿制阶段20。改革开

13、放以来，国家对采煤机技术高度重视，高 校、煤研所及煤炭企业对采煤机技术研究大力投入，在对其理论分析研究的同时，再利 用计算机辅助设计技术对其设计研制，使得采煤机滚筒得到了快速发展。2.2振动截割技术在煤矿机械上的研究动态80年代初，澳大利亚学者 Gottlieb21进行了单齿模拟振动截割褐煤的试验，其主要 研究施加振动后切削阻力的变化情况，结果表明，振动切削阻力大幅度的降低，比能耗 降低，且基于此技术的挖掘装载机在露天采矿中被大力提倡。90年代初，俄罗斯图拉工学中央矿山掘进机研究设计院开始研制惯性冲击式掘进机22，在已有的悬臂掘进机上安装液压马达独立驱动的振动器，工作中开启马达，可将周 期性简

14、谐变化的扭矩叠加到掘进机截割头上，使其得到切向附加冲击波动力。现场试验 表明其可明显提高破岩能力和生产率，降低比能耗的同时运行平稳，当f约为78时，比耗能降低了 1/3;当f约为67时，主电机功率平均减小 25%30%,工作机构扭矩 减小20%25%。在半煤岩巷道中，生产率提高 30%40%,在煤巷(f<4)中，生产率提高30%50%。煤巷掘进机一般只能用于f<6，加激振器后能用于f < 87。同一时期， 德国博马德扎尔茨基特公司研制了带有两个振动器的振动滚刀掘进机切割头23。2004年，日本爱媛大学T.Muro24等人对振动切削岩石进行了试验研究，探讨了振动的频率、振幅、切

15、削速度以及振动的波形对最大切削阻力的影响。指出振动时的水平切 削阻力明显下降，正弦波振动时的能量消耗要比三角波振动时的能量消耗低。1996年，中国矿业大学北京研究生部的荆元昌教授25在自行设计建立的实验室振动 截割试验台上，针对大同煤田的硬煤，以单截齿与煤样在相对振动的情况下模拟实际采 煤过程，利用相似理论建立了试验模型，然后采用正交试验法对模型采取优化试验。通 过改变振动频率、振动振幅、振动波形、截割对象、截割截距以及振动与截割的相对方 向、截割与层理的相对方向来研究各参数对实际主截割力及单位能耗的影响。寻找使截 割力及截割单位能耗明显降低的参数组合，结果表明，煤平行于层理方向的破坏强度小

16、于垂直于层理方向的破坏强度，利用此特点，振动截煤法对平行于层理截割效果更佳， 可使主截割力平均降低 2245%左右。此外，刀具振动时将振动能传给煤体，使煤产生 振动，煤在多次重复载荷作用下，在低于破坏强度时破坏，而且振动能量输人给煤体， 煤的振动惯性增加了层理间的内应力，使得煤更易破碎，从而可使截割单位能耗在一定 的振动波形及截割对象情况下平均降低 2936%。1998年前后太原理工大学的田取珍教授及他的团队们，对利用机械冲击技术破碎煤 岩方面进行了深入研究，提出了冲击式采煤方法。他们根据采煤工作面煤壁受地压作用 后煤体强度降低的特点，利用冲击刀具对煤壁进行冲击劈裂 （如图1.1和图1.2），

17、在回采 工艺上实现了冲击式落煤，并在 AM-500型滚筒式采煤机的基础上经过重新设计摇臂和 冲击机构成功研制了 TC-I型冲击式采煤机，该冲击式采煤机有两排纵向排列的交替运动 的冲击工作机构，该工作机构在原动机的驱动下使刀架连同安装其上的刀齿对煤壁进行 轮番交替冲击落煤。该采煤机在晋城矿务局凤凰山2319矿井下分层综采工作面进行实验 取得了非常好的效果：产尘率比滚筒式采煤机使用喷雾的情况下降低85%以上，采煤工作面的块煤率可达到83%，比滚筒式采煤机提高30%以上26,27。11图1.1冲击截割传动系统1-大轴；2、3-偏心轴；4-长连杆；5-小滑块；6-长刀架；7-箱体；8-短连杆；9-短刀

18、架；10-上导向座；11-下导向座图1.2采煤工作面冲击破煤方式1-煤壁自由面；2-切口处自由面；3-外侧刀架；4-内侧刀架；5-刀齿；6-新煤壁自由面2001年，南京晨光集团有限公司和西安科技大学在引进消化吸收国外先进技术的基础上合作研制了惯性冲击振动切割技术，并与上海煤科院合作完成了ELMB-75C型掘进机的样机设计制造和井下工业性试验，结果表明振动截割技术节能、高效和经济28 oELMB-75C型掘进机的冲击振动截割头机构简图2010年，中国矿业大学邹正龙教授29在水力采煤的高压水射流技术的基础上，结合 摆振磨料水射流的动力特性，利用了摆振水射流的动力特性和煤岩破坏特点，分析了摆 振磨料

19、水射流切落煤岩的机理，并优化了摆振磨料水射流的落煤工艺，提高了摆振水射流 的落煤效率和振动频率，降低了比能耗。然而，此期间，将惯性冲击振动技术应用到滚筒采煤机截割部上的研究，国内外鲜 有涉及。随着采煤机使用范围的日益扩大及企业节能环保意识的不断加强，对滚筒采煤 机截割能力、比能耗及工作时产生的粉尘量的要求也不断提高。要提高滚筒采煤机这些 方面的性能，应用冲击振动截割技术无疑是一种新型有效的方法。3采煤机振动截割滚筒的研究方案3.1本课题拟研究内容及研究方法1）研究采煤机振动截割滚筒振动器的振动机理为了研究振动截割滚筒采煤机能否有效提高截割能力、煤块率和截割部的使用寿命， 首先须研究采煤机振动截

20、割滚筒振动器的工作原理。通过查阅文献，总结国内外滚筒采 煤机特别是应用振动截割技术的采煤机的研究动态，借鉴冲击振动技术在掘进机上的应 用原理来研究采煤机振动截割滚筒振动器的振动机理。2）建立振动截割滚筒振动系统的力学模型阐述采煤机振动截割滚筒振动器的工作原理，简化振动器系统的力学模型并建立系 统的拉格朗日微分方程。利用MATLAB的simulink工具箱，编写求解空载系统的微分方 程的指令，给定模型一组初始数据（如偏心距、偏心质量等），以求解给定数据下系统的 输出扭矩振动曲线。3）建立振动截割滚筒振动器实体模型并验证模型振动系统力学模型搜集参考某型号采煤机截割滚筒的结构参数，利用Solidwo

21、rks软件，建立截割滚筒振动器各部件的实体模型，并对其进行虚拟装配和干涉检测，在无干涉问题的情况下， 将模型保存为parasolid格式，将其导入到ADAMS软件，给定模型与之前同样的初始数 据（如偏心距、偏心质量等），对模型进行约束和加载，然后对其在空载下进行动力学仿 真分析。将振动器实体动力学仿真分析的结果与理论计算分析的结果进行对比，以此来 验证力学模型的正确性。4）设计正交试验以偏心锤的偏心距和质量为两个因素，以偏心锤的偏心距和质量的大小为试验水平，选用合适的正交表，设计出2因素多水平的试验方案，为进行正交试验提供依据。5）振动器的数值模拟试验分析按照2因素多水平的正交试验方案，改变振

22、动器的偏心质量和偏心距，利用MATLAB 的simulink工具箱对振动器进行多次模拟试验求解，采集分析试验数据，拟合出偏心锤 的偏心距和质量与截割力之间的函数关系，为振动截割滚筒采煤机振动器的设计提供理 论依据。3.2本课题拟采取的研究技术路线.果*完成学 位论文撰写3.3本课题预期达到的目标1）掌握振动截割技术核心部件 一一振动器的工作原理，建立振动截割滚筒振动器振 动系统力学模型；2）搜集和参考某型号采煤机的资料，建立振动器的几何实体模型，通过对几何实体 模型的动力学仿真来验证力学模型的正确性；3）利用正交实验法和计算机仿真技术，通过不断该改变振动器偏心锤的参数进行数 值模拟（动力学分析

23、）试验，以寻求振动器偏心锤的偏心距和质量与截割力之间的定量 关系；4）通过偏心锤的偏心距和质量与截割力之间的关系，讨论提高滚筒截割力的有效措 施，为振动截割滚筒的设计提供理论支撑。4课题研究过程中可能遇会到的难题在对本课题的研究过程中，可能会遇到许多困难：1建模时可能会遇到的难题。因为市场上缺乏采煤机振动截割滚筒振动器的结构设计资料，建立振动器的实体模 型就显得比较困难，针对此问题，本课题将根据采煤机滚筒的结构参考ELMB 75C掘进机的截割头的振动机构建模；又因为缺乏采煤机振动截割滚筒振动器的理论研究，如何 建立振动器振动系统力学模型也就成为难题，为解决问题，本课题将简化振动截割滚筒 的力学

24、模型，理想化处理许多约束和载荷，并利用振动器的实体动力学仿真结果来验证 力学模型的正确性。2.模拟仿真可能会遇到问题在解决好振动器的建模问题之后，实际操作中，在利用ADAMS仿真软件对其做动力学分析时，对模型的简化和导入，添加约束和载荷还可能会遇到过约束或欠约束等各 种问题，如何解决好这些问题，也将成为本课进行研究的关键，为解决好问题，须查阅 相关资料，认真学习仿真软件，虚心向经验丰富的师长学习，以顺利解决问题并提高自 己相关方面的业务能力。3 .数据分析处理可能会遇到的问题如何通过动力学分析结果中采集并分析处理数据，以得到偏心锤的偏心距和质量与 截割力之间的关系，是本课题可能会遇到的难题，也

25、是本课题研究的关键。5本课题的进度安排2014.09 2014.11查阅国内外相关文献资料，了解国内外采煤机振动截割滚筒的研动态；分析振动截割滚筒振动器的工作原理及主要结构；学习 Solidworks 软件和 ADAMS 软件；2014.12 2015.03 完成选题、确定研究内容以及拟研究方法并开题；2015.04 2015.08对振动器的工作原理进行分析，建立采煤机振动截割滚筒振动器的实体模型，同时建立并求解振动器振动系统力学模型；2015.09 2015.12 以偏心锤的偏心距和质量为两个因素，确定试验水平，选用合适 的正交表，设计出2因素多水平正交表，并依据此正交实验表利 用ADAMS

26、仿真软件动力学分析，对试验数据进行分析处理，寻 找偏心锤的偏心距和质量与截割力的关系，为振动器的设计提供 理论依据；2016.01 2016.03 总结课题的研究结果，完成学位论文的撰写。参考文献1 陶驰东.采掘机械M.北京：煤炭工业出版社，1993.2 谢锡纯,李晓豁.矿山机械与设备M.徐州:中国矿业出版社,2007.3 田取珍.冲击式采煤的研究J.煤炭学报,1998,23(6).4 焦丽,李晓豁,姚继权.采煤机截齿动力学模型及其求解方法J.辽宁工程技术大学学报 (自然科学版),2008, 27(2): 285.5 O.Z. Hekimoglu. The radial line concep

27、t for cutting head pick lacing arrangements. International Journal of Rock Mechanics and Mining Science J. 1995, 32 (4):301-311.6 H.Warren Shen, H.Reginald Hardy Jr. A.Wahab Khair. Laboratory study of acoustic emissi on and particle size distributio n duri ng rotary cutti ng J. I nternatio nal Jour

28、nal of Rock Mechanics & Mining Sciences.1997, 34:121-136.7 Rizwan A. Qayyum. Effects of bit geometry in multiple bit rock interactionD. USA: College of Engin eeri ng and Min eral Resources at West Virgi nia Uni versity,2003.8 E.Mustafa Eyyuboglu, Naci Bolukbasi. Effects of circumfere ntial pick

29、spaci ng on boom type roadheader cutting head performance J.Tunneling and Underground space Tech nology.2005,20:418-425.9 Bo Yu. Numerical simulation of continuous miner rock cutting process D. USA: College of Engin eeri ng and Min eral Resources at West Virgi nia Uni versity,2005.10 张守柱，吕剑梅.采煤机滚筒截齿排列的研究J.西安矿业学院学 报,1998,18(2):170-172.11 胡应曦，陈启梅.采煤机滚筒截齿配置及滚筒转速与牵引速度匹配关系的分析J.贵州