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工程硕士学位论文 碟盘刀具振动切削煤岩载荷的 理论模型与模拟试验 THEORETICAL MODEL AND SIMULATION TEST OF VIBRATING CUTTING OF COAL AND ROCK LOAD BY DISC CUTTER 作者袁昊 校内导师刘春生 教授 校外导师郭洪鑫 教授级高工 黑龙江科技大学 二○一九年六 万方数据 万方数据 中图分类号TD421学校代码10219 UDC621密级公开 黑龙江科技大学 工程硕士学位论文 碟盘刀具振动切削煤岩载荷的 理论模型与模拟试验 THEORETICAL MODELAND SIMULATION TEST OF VIBRATING CUTTING OF COALAND ROCK LOAD BY DISC CUTTER 作者袁昊导师刘春生郭洪鑫 申请学位工程硕士培养单位机械工程学院 工程领域机械工程领域范围矿山机械设计理论与技术 答辩委员会主席张铭钧评 阅 人刘斌 二○一九年六月 万方数据 万方数据 致致谢谢 时光荏苒，总是感叹美好时光的短暂，在黑龙江科技大学读研的三年让我收获颇丰，非 常有幸能在刘春生教授门下学习， 在这三年里无论是生活上还是科研上老师都给了我无微不 至的关怀和极大地帮助，从最开始的选题、确立研究方向到最后毕业论文的撰写、修改，每 一个过程都有老师的悉心指导， 凝聚着老师的心血和智慧， 让我在学术上和生活上都得到了 锻炼和成长。 从老师身上我不仅学到了科学知识更是学到了为人处世的学问， 老师高瞻远瞩、 严谨负责的态度将使我受益终生。 在此， 谨向我的导师刘春生教授致以崇高的敬意和衷心的 感谢 另外特别感谢我的校外导师郭洪鑫教授， 郭老师在我研究生期间从科学研究和论文撰写 给予了热情的帮助和关心， 郭老师积极地引导我参加校外实践活动， 让我研究生期间的生活 得到了丰富， 从郭老师身上更是学到了很多校外知识， 再次向我的校外导师郭洪鑫教授表示 衷心的感谢 感谢机械工程学院吴卫东老师、张艳军老师、宋胜伟老师、万丰老师、齐立涛老师、张 丹老师等在我读研期间给予的无私关心和帮助。 感谢李德根老师、 任春平老师、 李孝宇师兄以及徐玉芸师兄在我学习期间给予的关爱和 帮助，感谢我的同门刘延婷师妹、那洪亮、于念君、白云峰、李鑫鹏师弟在学习期间的陪伴 和帮助，感谢所有帮助过我的同学和朋友。 特别感谢我的父母和亲友们在精神上和经济上的大力支持， 有了你们的支持让我在前进 的道路上更有动力。 感谢国家自然科学基金项目 “截-楔组合破碎硬岩的机制及其载荷谱重构” （51674106） ， 黑龙江科技大学 2018 年创新科研项目“碟盘刀具振动与切削复合破碎煤岩载荷特性研究” （YJSCX2018-101HKD）资金上给予的支持。 最后， 衷心感谢各位专家老师在百忙之中抽出时间评阅和指导我的论文， 给予宝贵建议 和批评指正在此，谨向各位专家老师表示衷心的谢意。 万方数据 I 摘摘要要 目前对于全岩巷道的掘进尤其面对坚硬煤岩时， 依靠现在的设备及破碎方法 显得截割能力以及破碎效率不能完全应对，为解决上述问题，对一种碟盘刀具在 不同工况下进行破碎煤岩载荷特性的分析，分别从理论建模、数值模拟以及切削 试验进行研究。 根据碟盘刀具的结构特点，将刀具分为碟盘刀刃和楔面两部分，利用积分和 等效集中力原理分别给出了刀具在不同运动状态下刀刃和楔面破碎煤岩的的作 用力模型，并根据最小能量原则给出了刀具楔面破碎煤岩时的破坏准则，最后根 据矢量叠加原理给出碟盘刀具在径向单作用和轴向振动与径向切削复合作用下 破碎煤岩的径向和轴载荷的理论计算模型。 利用 ABAQUS 有限元以 D-P 为煤岩本构模型，进行了碟盘刀具边缘刀齿和 边缘光滑以及有轴向振动和无轴向振动的数值模拟， 分别得出在不同切削厚度及 楔面角度下的载荷谱， 利用小波能量熵和分形比例系数分别对得出的载荷谱进行 计算对比分析；为探究运动参数对刀具破碎煤岩的影响，采用单因素控制变量法 分别研究了振动幅值、振动频率及径向速度与碟盘刀具载荷变化规律的关系。将 数值模拟载荷值与理论计算值进行对比分析，两者变化规律具有一致性。 利用碟盘刀具的单刀齿进行切削煤岩试验， 对试验载荷谱进行统计可知试验 与数值模拟、理论计算具有相同的变化规律，并且根据不同位置刀齿切削煤岩的 试验数据推算出整个碟盘刀具的试验载荷，与理论计算相比具有较好的吻合度， 由激振箱截割系统所得径向载荷与理论模型相比也具有较好的吻合度。 对于坚硬煤岩的采掘，本文通过理论、数值模拟和试验进行了碟盘刀具破碎 煤岩的研究，研究结果为后续工作机构的设计以及工程实际的应用奠定了基础。 该论文有图 52 幅，表 12 个，参考文献 76 篇 关键词关键词掘进机；碟盘刀具；理论模型；数值模拟；煤岩；载荷特性；分形比例系数 万方数据 II Abstract At present, especially in the face of hard coal and rock, depending on the present equipment and crushing , the cutting ability and the crushing efficiency can not be completely dealt with. In order to solve the above-mentioned problems, the excavation of the whole rock roadway is especially faced with the hard coal and rock. The load characteristics of broken coal and rock under different working conditions of a disc cutter are analyzed, and the theoretical modeling, numerical simulation and cutting test are studied respectively. According to the structure characteristics of the disc cutter, the cutter is divided into two parts the tool head and the wedge surface. By using the integral and the principle of the equivalent set force, the force models of the cutter head and wedge face to break the coal and rock under different motion conditions are given respectively, and then the cutting tool is divided into two parts the tool head and the wedge surface. According to the principle of minimum energy, the failure criterion of breaking coal and rock on the wedge surface of cutting tool is given. Finally, according to the vector superposition principle, the theoretical calculation models of radial and axial loads of broken coal and rock under the combined action of radial single action and axial vibration and radial cutting are given. Based on the ABAQUS finite element model of coal and rock, the numerical simulation of the disc cutter with and without teeth, axial vibration and axial vibration is carried out, and the load spectra under different cutting thickness and wedge angle are obtained, respectively. Wavelet energy entropy and fractal scale coefficient are used to calculate and analyze the load spectrum. In order to investigate the influence of motion parameters on broken coal and rock, the relationship between vibration amplitude, vibration frequency and radial velocity and the load variation of disc cutter was studied by means of single factor control variable . The numerical simulation load value and the theoretical calculation value are compared and analyzed, and the change law of the two is consistent. The experiment of cutting coal and rock with the single cutter tooth of disc cutter is carried out. The statistical analysis of the load spectrum shows that the theoretical calculation has the same law of change. According to the experimental data of cutting 万方数据 III coal and rock with cutter teeth in different positions, the test load of the whole disc cutter is calculated, which has a good agreement with the theoretical calculation. The radial load obtained by the excitation box cutting system also has a good agreement with the theoretical model. Facing the mining of hard coal and rock, this paper studies the broken coal and rock with disc cutter through theory, numerical simulation and experiment. The research results lay a foundation for the design of the follow-up working mechanism and the practical application of the project. Keywords roadheader; disc cutter; theoretical model; numerical simulation; coal and rock; load characteristics; fractal scale factor 万方数据 IV 目目录录 摘摘要要............................................................................................................................I I 目目录录..........................................................................................................................IVIV 1 1 绪论绪论............................................................................................................................1 1 1.1 课题目的及意义....................................................................................................1 1.2 掘进机国内外研究概况.........................................................................................2 1.2.1 国外发展现状..........................................................................................................................2 1.2.2 国内发展现状..........................................................................................................................3 1.3 煤岩破碎方法研究现状.........................................................................................4 1.4 破岩机理研究.........................................................................................................5 1.5 振动与切削发展应用现状.....................................................................................5 1.5.1 基础理论研究..........................................................................................................................5 1.5.2 技术应用现状..........................................................................................................................7 1.6 主要研究内容........................................................................................................8 2 2 碟盘刀刃作用力学模型碟盘刀刃作用力学模型............................................................................................9 9 2.1 破碎煤岩的碟盘刀具............................................................................................9 2.2 碟盘刀刃与煤岩受力状态....................................................................................9 2.3 刀刃作用力和集中力位置角..............................................................................11 2.3.1 刀具向下振动........................................................................................................................11 2.3.2 刀具向上振动........................................................................................................................12 2.3.3 刀具单作用径向切削刀刃作用力....................................................................................... 13 2.4 本章小结..............................................................................................................14 3 3 碟盘刀具破碎煤岩准则及理论模型碟盘刀具破碎煤岩准则及理论模型..................................................................... 1515 3.1 碟盘楔面作用力及破坏准则..............................................................................15 3.1.1 煤岩崩裂面积........................................................................................................................15 3.1.2 煤岩当量崩落角....................................................................................................................18 3.1.3 碟盘楔面作用力及作用位置角........................................................................................... 19 3.1.4 碟盘楔面破碎煤岩准则........................................................................................................20 3.2 碟盘刀具破碎煤岩理论模型...............................................................................25 3.2.1 径向单作用切削力模型........................................................................................................25 万方数据 V 3.2.2 复合作用切削力模型............................................................................................................27 3.3 理论模型计算结果分析......................................................................................28 3.4 本章小结..............................................................................................................30 4 4 碟盘刀具破碎煤岩数值模拟碟盘刀具破碎煤岩数值模拟..................................................................................3131 4.1 数值模型及参数..................................................................................................31 4.2 碟盘刀刃结构形态对载荷的影响......................................................................33 4.2.1 边缘光滑碟盘数值模拟........................................................................................................33 4.2.2 边缘刀齿碟盘数值模拟........................................................................................................35 4.3 有无轴向振动对载荷的影响..............................................................................38 4.3.1 无振动径向切削煤岩............................................................................................................38 4.3.2 振动与切削复合破碎煤岩................................................................................................... 42 4.4 不同运动参数对载荷的影响..............................................................................45 4.4.1 不同振动频率........................................................................................................................45 4.4.2 不同振动幅值........................................................................................................................47 4.4.3 不同径向速度........................................................................................................................48 4.5 仿真结果分析......................................................................................................50 4.5.1 碟盘刀刃结构形态结果分析............................................................................................... 50 4.5.2 有无振动结果分析................................................................................................................55 4.5.3 运动参数结果分析................................................................................................................58 4.6 数值模拟与理论计算模型对比分析..................................................................59 4.7 本章小结..............................................................................................................61 5 5 碟盘刀具切削煤岩试验研究碟盘刀具切削煤岩试验研究..................................................................................6363 5.1 碟盘刀齿径向切削煤岩试验..............................................................................63 5.1.1 刀齿正向切削试验载荷..........................................................................................63 5.1.2 切削载荷能耗特征................................................................................................................66 5.1.3 刀齿偏角度切削试验............................................................................................................67 5.1.4 试验计算值与理论计算值对比分析................................................................................... 68 5.2 碟盘刀具振动切削破碎煤岩试验......................................................................68 5.3 本章小结..............................................................................................................71 6 6 结论与展望结论与展望..............................................................................................................7272 6.1 结论......................................................................................................................72 万方数据 VI 6.2 展望......................................................................................................................73 参考文献参考文献......................................................................................................................7474 作者简介作者简介......................................................................................................................7878 学位论文原创性声明学位论文原创性声明..................................................................................................7979 学位论文数据集学位论文数据集..........................................................................................................8 80 0 万方数据 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.1 课题目的及意义 本课题来源于国家自然科学基金项目“截-楔组合破碎硬岩的机制及其载荷 谱重构（51674106）”与黑龙江科技大学 2018 年研究生创新科研项目“碟盘刀 具振动与切削复合破碎煤岩载荷特性研究（YJSCX2018-101HKD）”。 煤炭作为我国的基础性能源， 随着社会的发展依然伴有重要角色， 预计 2050 年前，这一现象不会改变[1]。煤炭作为众多基础工业的原材料供应，2017 年 BP 世界能源统计年鉴中指出 2016 年煤炭在一次性能源消费结构中占有 28.1的比 例， 而在我国所占比例为 61.8左右[2]， 在 2018 年的世界能源统计年鉴中全球煤 炭消费量有所上升。我国在煤炭的进口、消费及生产居世界首位，这种状态短时 间内不会发生太大变化，还将持续下去。其中 2016 年，全国煤炭消费量为 37.8 亿吨，全年国内原煤产量为 34.1 亿吨，有关专家预测到 2020 年煤炭需求量将会 达到 40 亿吨[3-4]。 面对全岩巷道的掘进、随着煤矿开采量的增加，煤矿开采难度也逐渐加大， 为煤矿产业持续发展，对难开采煤层也要加以利用，对于这些煤层来说被截割对 象的硬度已明显提升。截割坚硬煤岩对传统采掘机械设备的损害也不容忽视，有 可能造成机械设备直接报废。 开采规模的不均衡也是困扰煤炭进行安全性和效率 性生产的主要原因。全岩巷道的比例在逐渐增加，例如某国有煤矿巷道掘进长度 为 104m，而岩石巷道占比超过 1/5 [5]。为解决全岩巷道的掘进关键技术，国内外 众多学者开展了大量研究，解决了抗压强度小于 80 MPa 的煤岩。由于工作地点 及机械装备的限制，目前有少许悬臂式掘进机可对硬度超过 80 MPa 的岩石进行 截割，但截割效果并不理想，面对较坚硬的岩石，截齿磨损严重。因此，增强掘 进机的截割性能迫在眉睫。 国家能源科技“十二五”规划（2011-2015）中明确提出要“重点研究 适用于硬质煤岩截割的快速采掘技术与装备”[6]。目前我国的采掘机械设备与发 达国家相比还有较大的差距[7]。 基于目前广泛应用于隧道及煤矿巷道掘进中的悬臂式掘进机， 在改变加载方 式和刀具结构的实验研究的基础上， 提出了一种适用于破碎硬岩振动和切削复合 作用的破碎机制和刀具。 通过改变刀具的结构和工作方式利用振动的功能原理与 刀具的切削进行复合作用， 为实现坚硬煤岩的破碎及全岩巷道的掘进提供技术参 考和依据。 万方数据 硕士学位论文 2 1.2 掘进机国内外研究概况 掘进机在隧道开挖及矿山作业中占有重要的比重， 是一种多功能的联合工作 设备。使用掘进机能够大幅提高掘进效率，降低成本，减轻劳动强度，改善劳动 条件。 按照掘进机工作面的不同可分为全断面掘进机和部分断面掘进机又称为悬 臂式掘进机。 在煤矿井下掘进巷道时悬臂式掘进机相比全断面掘进机具有体积小、 结构简 单、操作方便等特点[8]。因此，悬臂式掘进机已成为产煤国家煤矿用于巷道的挖 掘，以布置采煤工作面生产的重要设备。 随着社会发展、国家需要，掘进机的发展将得到进一步提高。以下几方面将 成为掘进机的发展趋势[9]（1）重型硬岩、全岩方向发展；（2）拓展掘进机技 术在工程、公路隧道等领域上的应用；（3）向着多辅助功能的掘进机方向发展。 为实现掘进机安全高效作业，智能化技术、高效除尘技术、新型及复合破碎煤岩 机构与方法、大功率、高可靠性、高寿命等已是目前研究的热点。 1.2.1 国外发展现状 20 世纪 50 年代， 随着采煤机械化效率的提高， 巷道的掘进速度却没有同步， 因此出现了采掘不平衡的现状。早期匈牙利和前苏联研发了 F5 和ПK-2M、П-3 型掘进机。英国利用引进的ПK-3 掘进机研发了 MKZ 掘进机，日本则在此基础 上研制了 MRH 系列，其他欧、美洲国家也研发生产了属于自己的掘进机[10]。 随着社会的发展与进步，掘进机技术的发展也显得尤为重要，尤其在针对硬 岩掘进技术的要求上。各国开始投入大量精力研制硬岩掘进机，例如1932 年， 美国研制出了可用于采矿业的悬臂式掘进机， 1956 年美国 Robbins 公司率先研发 出用于硬岩掘进的全断面掘进机，并于 1963 年研发出Φ11.2 m 的世界首台大直 径硬岩掘进机；日本为发展本国的掘进机技术和 Robbins 公司进行合作，并于 1973 年生产出首台国产掘进机；此后，发达国家相继建立起属于本国的掘进机 企业[11]。 从 20 世纪 60 年代到 70 年代末，这是煤矿巷用掘进机快速的发展阶段，机 重普遍在 40 t 以内，例如英国的 RH25 和日本的 MRH-100 等。到 20 世纪 80 年 代末，悬臂式掘进机发展更为普及，一些发达国家研发了很多机型，尤其出现了 重达 50 t 的掘进机，如英国的 MKⅡB、LH1300 和德国的 E169 等机型