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硕士学位论文 碟盘振动切削破碎煤岩机构的设计 与动力学特性 DESIGN AND DYNAMIC CHARACTERISTICS OF ROCK BREAKING MECHANISM FOR VIBRATION CUTTING DISHES 作 者那洪亮 导 师刘春生 教授 黑龙江科技大学 二○二○年六月 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致，论文的公布（包括刊登）授权黑龙江科技大学研究生学院办理。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月日 年 月日 中图分类号 TD421 学校代码 10219 UDC 621 密 级 公开 黑龙江科技大学 硕士学位论文 碟盘振动切削破碎煤岩机构的设计 与动力学特性 DESIGN AND DYNAMIC CHARACTERISTICS OF ROCK BREAKING MECHANISM FOR VIBRATION CUTTING DISHES 作 者 那洪亮 导 师 刘春生 申请学位 工学硕士 培养单位 机械工程学院 工程领域 机械工程 领域范围 现代机械设计理论与方法 答辩委员会主席 吴卫东 评 阅 人 周广林 二○二〇年六月 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 那洪亮 在规定的修业年限内， 按照研究生培养方案 的要求，完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我 的指导下独立完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述 和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论 文作为学位申请论文送专家评审。 导师签名 年 月日 致致 谢谢 看尘世岚走霞飞，等闲了云聚云散；念人间斗转星移，远去了潮起潮落。 当时间的沙漏再流逝一寸光阴， 我在黑龙江科技大学走过的这段流金岁月也将在 花谢花开之间写下终章。回望三载春秋，遇见的每一个人、经历的每一件事都在 我的记忆里镌刻下浓墨重彩的一笔， 值得我用一生去回味， 更值得我去衷心感谢。 桃李不曾言，荫下自成蹊。感谢恩师刘春生教授的教诲，位列其墙之内是我 莫大的荣幸，三年求学之路我日就月将，所得甚丰。从研究课题方向的确定到学 习方法的指导、从试验的进行到论文的撰写，每一段过程、每一个环节老师均倾 注大量的精力与智慧，我不仅感受到老师在科研方面渊博的学识和严谨的态度， 更是体会到他对学生无微不至的关心和爱护。无论是生活还是学习，不管是做事 还是为人，老师均是给予了我全面而正确的教导，为我提供了良好的成长环境。 所学所会，皆为恩师所授，万千感激，非言语可表。 新竹有高枝，皆因老干扶。我的成长离不开机械工程学院的培养，衷心感谢 机械工程学院的董星老师、吴卫东老师、宋胜伟老师、万丰老师、张艳军老师、 齐立涛老师以及张丹老师等对我在理论知识的学习和试验的研究等方面给予的 指导和关心，是他们的帮助使我的研究生生涯精彩而充实。 有缘相聚，无悔别离。感谢李德根老师、任春平老师、徐玉芸师兄以及袁昊 师兄在论文撰写和软件学习等方面传授给我的宝贵经验， 他们的指导使我少走了 许多弯路； 感谢我的同门刘延婷和于念君以及我的师弟白云峰、 李鑫鹏、 车长瑞、 韩德亮在试验过程中给予我的大力支持，是他们的帮助使我的试验得以顺利进 行。感谢每一位挚友亲朋的帮助与陪伴。 饮水思源，不曾或忘。感谢默默支持我、为我辛苦付出多年的父母和家人， 大爱无声，难以言表，是他们的关爱和鼓励让我走到了今天，他们是我奋斗力量 的源泉；感谢国家自然科学基金项目“截-楔组合破碎硬煤岩的机制及其载荷谱 重构” （51674106）在资金上给予的支持与帮助。 虽萍水相逢，然缘分匪浅。真诚地感谢各位专家及评委老师在繁忙的事务中 抽出时间和精力对我的论文进行审阅和指正， 老师们的每一条建议都将是我前进 路上最为光辉耀眼的明灯，为我的提高与进步指明方向。在此，向各位老师道一 声辛苦与感谢 世间多少英雄戏,临到收场总伤神。求学之路虽已暂告一段落，但生活仍在 继续。愿每一位老师、同学、朋友都能拥有流光溢彩、绚烂缤纷的精彩人生 I 摘摘 要要 针对掘进机截齿难以胜任硬质煤岩破碎的难题， 研制一种具有轴向振动与径 向切削复合破碎煤岩的碟盘破碎煤岩机构，通过对其进行结构设计与参数计算， 从动力学理论模型、 软件模拟以及试验研究等三个方面对碟盘振动切削破碎煤岩 机构开展不同工况下的动力学特性研究。 根据振动与切削复合破碎煤岩机理， 采用双作用单杆活塞式液压缸和双轴惯 性激振箱作为径向进给和轴向振动的驱动装置，并确定液压泵、液压缸、弹簧、 偏心块等主要零部件的结构与参数，给出径向进给速度、最大径向进给推力、激 振频率、 振幅、 最大激振力等参数的调节方式， 计算不同工况下机构的工作参数。 根据碟盘刀具与煤岩相互作用状态建立未撞击、挤压、破碎三种状态下的动 力学模型；构建碟盘破碎煤岩机构空载动力学模型，分析其幅频和相频特性，传 动轴刚度远大于碟盘刀具质量与激振频率平方之积时， 机构二阶固有频率远高于 正常工作频率，此时碟盘刀具与激振箱等振幅、同相位运动，机构正常工作动力 学特性不受传动轴刚度影响，可简化为单质体振动系统；单质体振动系统工作时 激振频率在固有频率的 37 倍范围内， 此时提高激振频率对振幅影响很小， 但使 最大激振力明显增大； 增大弹簧刚度使机构固有频率提高进而使相同工作频率下 的振幅变大；增大偏心块质量使振幅和最大激振力明显提高。 利用 ADAMS 动力学分析软件数值模拟不同传动轴刚度、激振频率、弹簧 刚度、偏心块质量下机构的动力学特性，所得结论与理论分析一致；利用 ABAQUS 有限元软件获得不同激振频率和振幅下碟盘刀具破碎煤岩的载荷特 性， 激振频率越高、 振幅越大则径向载荷越小， 轴向载荷则随频率的提高而减小、 随振幅的增大而增大；将通过 ABAQUS 得到的载荷数据导入 ADAMS 仿真模型 中进行机构破碎煤岩动力学仿真， 机构位移响应呈周期性变化但偏离原来的平衡 位置，且频率越低、破碎煤岩时所受载荷越大则偏移幅度越大。 通过自行研制的碟盘振动切削破碎煤岩试验台进行空载振动试验， 获得机构 的固有频率和稳态振幅，与理论计算和数值模拟有较好的吻合度；进行不同激振 频率的破碎煤岩试验，试验载荷谱和位移响应曲线与数值模拟呈相同变化规律。 通过理论、数值模拟和试验对碟盘振动切削破碎煤岩机构进行研究，提高激 振频率和增大偏心块质量可减小机构所受径向载荷、提高破碎煤岩效率，该研究 为研制新型破碎煤岩机构奠定了基础。 本论文有图 45 幅，表 19 个，参考文献 83 篇 关键词关键词碟盘破岩机构；振动切削；结构设计；动力学特性；硬质煤岩 II Abstract The working effect of roadheader is terrible when it breaks hard coal rock. Aiming at this problem, this paper designs a mechanism which uses disc cutter to break coal rock. This mechanism can provide axial vibration and radial cutting, and the two kinds of movements are combined to break coal rock. This paper designs the structure of the mechanism and calculates its main working parameters. This paper studies the dynamic characteristics of the mechanism through three aspects of dynamic theoretical model, software simulation and experiment. According to the principle of vibration and cutting composite crushing rock, the double acting single rod piston hydraulic cylinder is used as the driving device of radial propulsion and the double axis inertia excitation box is used as the driving device of axial vibration.This paper determins the structure and parameters of the main parts such as hydraulic pump, hydraulic cylinder, spring and eccentric block.The design scheme puts forward the adjustment mode of parameters such as radial feed speed, radial feed thrust, frequency, amplitude and exciting force of exciting vibration and the working parameters of the structure with different working conditions. According to the state of interaction between the disc cutter and rock, the dynamic differential equations corresponding to the three states of the cutter not impacting rock, the cutter extruding rock and the cutter crushing rock are established respectively. The dynamic model corresponding to the no-load state of the mechanism is constructed in this paper, and the amplitude frequency characteristics and phase frequency characteristics of the mechanism are analyzed. Through the analysis, it is found that the rigidity of the transmission shaft is far greater than that of the disc When the mass of the tool is multiplied by the square of the excitation frequency, the second-order natural frequency of the mechanism is much higher than that of the mechanism in normal operation. At this time, the disc cutter and the excitation box maintain the same amplitude and phase motion. The dynamic characteristics of the mechanism in normal operation are not affected by the stiffness of the transmission shaft. The mechanism can be simplified as a single mass vibration system; the single mass vibration system works When the excitation frequency is in the range of 3-7 times of the natural frequency, the effect of increasing the excitation frequency on the III amplitude is very small, but it will increase the maximum excitation force of the mechanism significantly; increasing the spring stiffness will increase the natural frequency of the mechanism, and then the amplitude of the mechanism at the same working frequency will increase; increasing the mass of the eccentric block will increase the amplitude and the maximum excitation force significantly. Simultaneous interpreting the dynamic characteristics of the mechanism by ADAMS dynamic analysis software, the dynamic characteristics correspond to the stiffness of the transmission shaft, the excitation frequency, the stiffness of the spring, the mass of the eccentric block, etc. The results of software simulation are consistent with the theoretical analysis. Using ABAQUS finite element software to obtain the load characteristics of the disc cutter under different excitation frequency and amplitude, the conclusion is higher excitation frequency and larger amplitude will produce smaller radial load, when the excitation frequency increases, the axial load will decrease, when the amplitude increases, the axial load will increase. The load data obtained by ABAQUS is imported into ADAMS simulation model, and the dynamic characteristics of the mechanism when it breaks coal and rock are simulated by software. The results show that the displacement response of the mechanism changes periodically but deviates from the original balance position, and the lower the excitation frequency and the larger the load, the greater the displacement amplitude. The vibration test-bed for cutting coal and rock is developed by ourselves. The vibration test is carried out under no-load condition. The natural frequency and steady amplitude of the mechanism are measured. The error between the test results and the theoretical calculation and numerical simulation is very small. The load spectrum and displacement response curve obtained from the tests are the same as those from the numerical simulation. Through theoretical analysis, simulation and experiment, the mechanism of rock breaking by disc vibration cutting is studied. It is found that increasing the frequency of vibration and increasing the quality of eccentric block can effectively reduce the radial load on the mechanism and improve the efficiency of rock breaking. This study lays a foundation for the development of new rock breaking mechanism. This thesis has 45 pictures, 19 tables and 83 references. Keywords disc cutting mechanism; vibration cutting; structural design; dynamic characteristics; hard rock 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 1.1 课题目的及意义课题目的及意义 .................................................................................................. 1 1 1.2 煤岩破碎方法 .................................................... 2 1.2.1 机械破岩 ............................................................... 2 1.2.2 非机械破岩 ............................................................. 2 1.2.3 机械与非机械结合破岩 ................................................... 3 1.3 振动破碎煤岩的研究 .............................................. 3 1.3.1 理论研究 ............................................................... 4 1.3.2 数值模拟研究 ........................................................... 5 1.3.3 试验研究 ............................................................... 6 1.4 振动破碎煤岩技术的应用概况 ...................................... 6 1.4.1 国外应用概况 ........................................................... 6 1.4.2 国内应用概况 ........................................................... 7 1.5 主要研究内容.................................................... 8 2 2 碟盘振动切削破碎煤岩机构的设计碟盘振动切削破碎煤岩机构的设计 .................................................................... 1010 2.1 碟盘破碎煤岩机构工作原理....................................... 10 2.2 径向进给系统................................................... 11 2.2.1 径向进给驱动装置 ...................................................... 11 2.2.2 径向进给速度 .......................................................... 12 2.2.3 径向进给推力 .......................................................... 12 2.3 轴向振动系统................................................... 13 2.3.1 轴向振动驱动装置 ...................................................... 13 2.3.2 固有频率与激振频率 .................................................... 15 2.3.3 最大激振力 ............................................................ 17 2.3.4 振幅 .................................................................. 17 2.4 碟盘刀具及传动轴............................................... 18 2.4.1 碟盘刀具结构及其等效刚度 .............................................. 18 V 2.4.2 传动轴结构及其等效刚度 ................................................ 22 2.5 碟盘破碎煤岩机构及其主要参数................................... 23 2.6 本章小结....................................................... 24 3 3 碟盘振动切削破碎煤岩机构的动力学特性碟盘振动切削破碎煤岩机构的动力学特性 ........................................................ 2525 3.1 碟盘破岩机构破碎煤岩动力学模型 ................................. 25 3.1.1 激振箱-碟盘刀具-煤岩系统动力学模型的建立 .............................. 26 3.1.2 激振箱-碟盘刀具-煤岩系统动力学模型的无量纲化 .......................... 28 3.2 激振箱-碟盘刀具系统动力学模型 .................................. 31 3.3 激振箱单质体系统动力学模型 ..................................... 36 3.4 理论模型计算结果分析........................................... 39 3.4.1 激振箱-碟盘刀具系统计算结果 ........................................... 39 3.4.2 激振箱单质体系统计算结果 .............................................. 41 3.5 本章小结....................................................... 43 4 4 碟盘振动切削破碎煤岩机构的数值模拟碟盘振动切削破碎煤岩机构的数值模拟 ............................................................ 4444 4.1 碟盘破岩机构虚拟样机模型建立 ................................... 44 4.2.1 基于 UG 的三维模型建立 ................................................. 44 4.2.2 基于 ADAMS 的仿真模型建立 .............................................. 46 4.2 不同参数下动力学特性的数值模拟 ................................. 50 4.2.1 传动轴刚度 ............................................................ 50 4.2.2 激振频率 .............................................................. 52 4.2.3 弹簧刚度 .............................................................. 54 4.2.4 偏心块质量 ............................................................ 55 4.3 破碎煤岩的数值模拟 ............................................. 58 4.3.1 碟盘刀具破碎煤岩载荷模拟 .............................................. 58 4.3.2 机构破碎煤岩动力学模拟 ................................................ 60 4.4 本章小结....................................................... 62 5 5 碟盘振动切削破碎煤岩机构的试验研究碟盘振动切削破碎煤岩机构的试验研究 ............................................................ 6464 5.1 试验系统....................................................... 64 5.2 试验原理....................................................... 65 5.2.1 液压缸及马达压力测量 .................................................. 66 5.2.2 振动频率及幅值测量 .................................................... 66 VI 5.2.3 径向进给速度测量 ...................................................... 66 5.3 试验研究....................................................... 67 5.3.1 碟盘破岩机构的动力学特性试验 .......................................... 67 5.3.2 不同激振频率的破岩试验 ................................................ 69 5.4 本章小结....................................................... 72 6 6 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................ 7373 6.1 结 论......................................................... 73 6.2 展 望......................................................... 74 参考文献参考文献 .................................................................................................................... 7575 作者简历作者简历 .................................................................................................................... 8080 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................ 8181 学位学位论文数据集论文数据集 ........................................................................................................ 8282 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-楔组合破碎硬煤岩的机制及其载 荷谱重构（51674106）”。 煤炭是我国乃至全球的主体能源。在采煤或其他掘进过程中，传统设备在破 碎硬质煤岩时存在截齿磨损严重、破碎煤岩效率低等问题。因此，新型破碎硬煤 岩设备的设计和先进煤炭开采技术的研究对提高煤炭资源开采率和利用率有着 莫大的意义。 我国是一个缺气、 少油但是富煤的国家[1]， 预测煤炭资源量约为 5.97 万亿吨， 已探明的煤炭储量达到 1.3 万亿吨，可供开采 50 年以上；在“十四五”期间， 我国仍有超过 50的一次性能源消费来源于煤炭。 根据国家统计局最新公布数据 显示[2]， 我国在 2019 年的原煤产量达到了 37.5 亿吨以上， 比 2018 年增长了 4.2； 在全国 25 个产煤省区中，有 8 个省区的产量超过了 1 亿吨。 BP 世界能源展望 （2019 年版） [3]预测，到 2025 年，全球对煤炭的使用需求量将达到 41 亿吨左 右；到 2040 年，世界电力行业使用的一次能源增量所占比例大约为 75％，而其 中有超过 40的电力需由煤炭提供，且煤炭占全球一次能源的比例将超过 30。 此外，以煤炭为原料还可以制取汽油、柴油、液化石油气等能源，因此，虽然煤 炭的消费量看似已经进入了平台期，但在新时代的能源体系中煤炭仍旧扮演着 “稳定器” 、 “ 压舱石”的重要角色。在未来相当长的一段时间内，煤炭在我国 乃至全球的能源结构中依旧具有着不可或缺的重大意义[2]，故而需要进一步优化 煤炭的供给结构，提高煤炭的供给质量。 无论从我国还是全球来看，煤炭能源都处于至关重要的地位，且对于煤炭资 源开采效率和质量的提高存在迫切的需求。但在开采煤炭或其他掘进过程中，掘 进机对硬质煤岩的截割能力尚有不足， 导致目前所能达到的掘进速度和机械化水