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全日制工学硕士学位论文 滚筒倾斜布置截割煤岩的 载荷特性与装煤效率 LOAD CHARACTERISTICS AND COAL LOADING EFFICIENCY OF SLANTING DRUM CUTTING COAL ROCK 作者白云锋 导师刘春生 教授 黑龙江科技大学 二○二一年六月 万方数据 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 2021 年 6 月 16 日2021 年 6 月 16 日 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 全日制工学硕士学位论文 滚筒倾斜布置截割煤岩的 载荷特性与装煤效率 LOAD CHARACTERISTICS AND COAL LOADING EFFICIENCY OF SLANTING DRUM CUTTING COAL ROCK 作者白云锋导师刘春生 申请学位工学硕士培养单位机械工程学院 学科专业机械工程研究方向 矿山机械设计理论及方法 答辩委员会主席王金武评 阅 人王金武 二○二一年六月 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生白云锋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 2021 年 6 月 16 日 万方数据 致致谢谢 三年研究生生活即将结束，感谢这三年中给予我帮助的每一个人。 首先要感谢我的导师刘春生教授，感谢导师让我加入一个优秀的科研团队， 为我提供广阔的学习平台。感谢导师在科研上对我的指导，从研究方向的确定、 模型的推导、截割试验的进行，无不都是在导师辛勤的指导下完成的，导师对研 究方向深刻的见解、对科研严谨、认真的态度值得我学习一生。回首已过三年， 三年的成长与导师的谆谆教诲和关心照顾息息相关。在此，谨向我的导师刘春生 教授致以最衷心的感谢。 感谢机械工程学院董星老师、吴卫东老师、万丰老师、张艳军老师、齐立涛 老师、张丹老师等在我学习期间对我的关心与帮助。 感谢李德根师兄、任春平师兄、袁昊师兄、那洪亮师兄、刘延婷师姐、于念 君师兄在学习上、生活上对我的关心与照顾。感谢我的同门李鑫鹏在三年生活中 的陪伴，感谢韩德亮师弟、车长瑞师弟、程硕师弟、刘爽师弟、沈佳兴师弟在学 习中的帮助。 感谢我父母对我的支持，正是你们的帮助才能让我毫无顾虑的向前拼搏。 感谢国家自然科学基金项目“采煤机滚筒高效截割的动力学性能与评价的研 究51274091”、教育厅专项资金项目“新型极薄煤层采煤机”和黑龙江科技大学 2020 年研究生创新科研项目“倾斜布置滚筒截割煤岩的力学模型和装煤效果 YJSCX2020-105HKD”给予的资金支持。 在论文撰写过程中，参阅了大量的国内外文献，已在参考文献中列出相关作 者，但未免有遗漏的地方。在此，向所有作者表达感谢，你们对研究内容不同角 度的思考让我受到很多启发。 最后，感谢各位专家、老师在百忙之中评阅我的论文。 万方数据 I 摘摘要要 针对极薄煤层滚筒采煤机装煤效率低的问题，研制一种滚筒倾斜布置采煤 机，以提高极薄煤层采煤机的装煤效率。以倾斜布置滚筒为研究对象，分别从理 论、模拟和试验三方面研究其载荷特性和装煤效率。 对倾斜布置滚筒进行运动学分析，给出滚筒倾斜布置截齿切削厚度的算法， 参考滚筒常规布置截齿三向载荷理论模型， 建立滚筒倾斜布置截齿三向载荷理论 模型。 以滚筒常规布置装煤效率理论模型为基础，综合考虑滚筒倾斜角度对装煤 效率的影响，建立滚筒倾斜布置装煤效率理论模型。 运用 EDEM 软件建立滚筒常规布置、倾斜布置截割煤岩的数值模型，采用 单因素控制变量法分别进行截煤模拟和装煤模拟。 通过截齿三向载荷谱研究滚筒 常规布置截齿三向载荷随不同最大切削厚度、 不同轴向倾斜角的变化规律以及滚 筒倾斜布置截齿三向载荷、滚筒三向载荷随不同最大切削厚度的变化规律。结合 滚筒倾斜布置截齿三向载荷模拟数据， 采用最小二乘法修正滚筒倾斜布置截齿三 向载荷理论模型。滚筒装煤模拟结果表明滚筒倾斜布置装煤效率明显高于滚筒 常规布置装煤效率；滚筒逆转装煤效率高于顺转装煤效率；滚筒倾斜布置顺转装 煤时， 在一定范围内采煤机牵引速度和滚筒转速对装煤效率的影响较小。结合装 煤模拟结果算出滚筒倾斜布置装煤效率理论模型修正系数。 利用多截齿旋转截割试验台进行单因素截割试验，引入希尔伯特黄变换、排 列熵两种方法提取载荷谱截割信息，给出载荷谱均值、排列熵、能量占比三个指 标评价截齿轴向倾斜角、最大切削厚度对截齿三向载荷谱的影响规律。对比分析 滚筒常规布置截齿三向载荷理论值、模拟值和试验值，三者变化规律一致，吻合 度较高，验证了数值模拟的正确性，间接验证了滚筒倾斜布置截齿三向载荷理论 模型的正确性。 载荷模型和装煤效率模型的建立为极薄煤层滚筒倾斜布置采煤机 的结构设计与工作参数确定提供了理论参考。 该论文有图 92 幅，表 10 个，参考文献 52 篇 关键词关键词滚筒；倾斜布置；煤岩；载荷特性；装煤效率 万方数据 II Abstract Aiming at the problem of low loading efficiency of roller shearer in extremely thin coal seam,a kind of roller inclined layout shearer is developed to improve the loading efficiency of roller shearer in extremely thin coal seam.Taking the inclined cylinder as the research object,the load characteristics and coal loading efficiency of the cylinder are studied theoretically,simulatively and experimentally. Based on the kinematics analysis of the inclined cylinder,the cutting thickness algorithm of the inclined cylinder picking pick was given,and the theoretical model of the inclined cylinder picking pick three-way load was established by referring to the theoretical model of the upright cylinder picking pick three-way load.Based on the theoretical model of coal loading efficiency with vertical roller arrangement,the theoretical model of coal loading efficiency with oblique roller arrangement was established by comprehensively considering the influence of the angle of the roller inclination on the coal loading efficiency. Using EDEM software,the numerical model of cutting coal rock with vertical and inclined roller arrangement was established.The simulation of cutting coal and loading coal were carried out by single factor control variable respectively. The variation law of the triaxial load of the vertical arrangement of the drum with different maximum cutting thicknesses and different axial inclination angles and the variation law of the triaxial load and the triaxial load of the inclined arrangement of the drum with different maximum cutting thicknesses were studied by the triaxial load spectrum of the vertical arrangement of the drum.Combined with the simulation data of the triaxial load of the roller with inclined arrangement of the pick,the theoretical model of the triaxial load of the roller with inclined arrangement of the pick is modified by least square .The simulation results show that the coal loading efficiency of the inclined roller is obviously higher than that of the upright roller.The loading efficiency of the roller reversal is higher than that of the forward rotation.In a certain range, the hauling speed of the shearer and the rotating speed of the drum have little influence on the coal loading efficiency when the roller is arranged in a inclined direction.Combined with the simulation results of coal loading,the correction coefficient of the theoretical model of coal loading efficiency in the inclined roller arrangement is calculated. 万方数据 III The single-factor cutting experiments were carried out on a multi-pick rotary cutting experimental plat.Two s,HHT and permutation entropy,were introduced to extract the cutting ination of the load spectrum.The mean value of the load spectrum,permutation entropy and energy ratio were given to uate the influence rules of axial inclination angle and maximum cutting thickness on the three-direction load spectrum of pick.The theoretical value,simulated value and experimental value of the three-direction load of the vertical arrangement of the drum pick were compared and analyzed.The variation rule of the three values was consistent and the degree of coincidence was high,which verified the correctness of the numerical simulation and indirectly verified the correctness of the theoretical model of the three-direction load of the inclined arrangement of the drum pick.The establishment of load model and coal loading efficiency model provides theoretical reference for the structure design and the setting of working parameters of the shearer with roller inclined arrangement in extremely thin coal seam. Keywordsdrum；slanting；coal rock；load characteristics；coal loading efficiency 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 薄煤层采煤机国内外发展现状............................................................................1 1.2.1 国外发展现状..........................................................................................................................1 1.2.2 国内发展现状..........................................................................................................................2 1.3 截齿截割力模型....................................................................................................3 1.4 滚筒装煤效率........................................................................................................4 1.5 主要研究内容........................................................................................................5 2 2 滚筒倾斜布置截割部滚筒倾斜布置截割部................................................................................................6 6 2.1 截割部布置形式....................................................................................................6 2.2 螺旋滚筒................................................................................................................7 2.3 机械传动系统........................................................................................................9 2.4 本章小结..............................................................................................................10 3 3 滚筒倾斜布置截齿载荷模型与装煤效率模型滚筒倾斜布置截齿载荷模型与装煤效率模型......................................................1111 3.1 滚筒常规布置截齿载荷模型..............................................................................11 3.1.1 截齿截割状态........................................................................................................................11 3.1.2 截齿三向载荷........................................................................................................................12 3.2 滚筒倾斜布置截齿载荷模型..............................................................................18 3.2.1 截齿运动学............................................................................................................................18 3.2.2 切削厚度................................................................................................................................20 3.2.3 截齿载荷模型........................................................................................................................22 3.3 滚筒倾斜布置装煤效率理论模型......................................................................23 3.4 本章小结..............................................................................................................24 4 4 滚筒倾斜布置截煤装煤数值模拟滚筒倾斜布置截煤装煤数值模拟..........................................................................2525 4.1 离散元理论..........................................................................................................25 4.1.1 离散元理论模型....................................................................................................................25 万方数据 V 4.1.2 滚筒截割煤岩模型建立........................................................................................................25 4.2 滚筒常规布置截割煤岩模拟..............................................................................26 4.3 滚筒倾斜布置截割煤岩模拟..............................................................................34 4.3.1 截齿三向载荷........................................................................................................................34 4.3.2 理论模型修正........................................................................................................................36 4.3.3 滚筒三向载荷........................................................................................................................37 4.4 滚筒倾斜布置装煤模拟......................................................................................40 4.4.1 滚筒装煤效率........................................................................................................................40 4.4.2 滚筒布置形式........................................................................................................................41 4.4.3 滚筒转向................................................................................................................................42 4.4.4 滚筒转速与牵引速度............................................................................................................43 4.5 本章小结..............................................................................................................45 5 5 截齿截割煤岩试验研究截齿截割煤岩试验研究..........................................................................................4646 5.1 旋转截割试验台..................................................................................................46 5.2 希尔伯特黄变换与排列熵..................................................................................48 5.2.1 希尔伯特黄变换....................................................................................................................48 5.2.2 排列熵....................................................................................................................................49 5.3 旋转截割试验......................................................................................................50 5.3.1 不同轴向倾斜角....................................................................................................................50 5.3.2 不同最大切削厚度................................................................................................................59 5.4 截齿载荷对比分析..............................................................................................64 5.5 本章小结..............................................................................................................66 6 6 结论与展望结论与展望..............................................................................................................6868 6.1 结论......................................................................................................................68 6.2 展望......................................................................................................................68 参考文献参考文献......................................................................................................................6969 附录附录 1 1...........................................................................................................................7272 作者简介作者简介......................................................................................................................8181 学位论文原创性声明学位论文原创性声明..................................................................................................8282 学位论文数据集学位论文数据集..........................................................................................................8383 万方数据 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.1 课题目的及意义 课题来源于国家自然科学基金项目“采煤机滚筒高效截割的动力学性能与评 价的研究51274091”和教育厅专项资金项目“新型极薄煤层采煤机”以及黑龙江 科技大学 2020 年研究生创新科研项目“倾斜布置滚筒截割煤岩的力学模型和装 煤效果YJSCX2020-105HKD”。 煤炭作为我国的基础能源， 为国家能源的稳定供应和经济社会的高速发展提 供了有力保障[1]。在 2050 年以前，我国的一次性能源消费中煤炭仍将占比 50 左右， 煤炭的高效开采影响国民经济的健康发展[2]。 我国煤层储量中， 极薄煤层、 薄煤层储量丰富，但开采并不景气，相关数据显示，极薄煤层、薄煤层开采量仅 为全国煤炭总量的 10.4，远远低于储量所占比例[3]。装煤效率差是影响极薄煤 层开采的关键因素之一，不能合理解决滚筒装煤问题，将直接影响极薄煤层的高 效开采。针对极薄煤层滚筒采煤机装煤效率低的问题，课题组研制了一种滚筒倾 斜布置采煤机，采煤机摇臂倾斜靠近煤壁侧布置，完全释放滚筒的装煤能力。该 研究有助于提高极薄煤层采煤机的装煤效率，提高煤炭企业生产效益。 1.2 薄煤层采煤机国内外发展现状 滚筒采煤机是煤炭开采中使用最广泛的采煤设备， 在截割煤岩过程中起落煤 与装煤的作用。薄煤层采煤机主要有两种结构形式骑溜子式和爬底板式。由于 受到煤层高度的限制， 薄煤层、 极薄煤层采煤机存在诸多特点， 包括机身重量轻、 机身高度矮、装机功率小、滚筒直径小、叶片直径小等，以上特点决定了薄煤层 采煤机的装煤空间小，装煤效率低。国内外薄煤层采煤机的研究进展对于提高滚 筒装煤效率有很好的参考价值。 1.2.1 国外发展现状 国外的薄煤层采煤机发展于 20 世纪 80 年代。80 年代德国的 EICKHOFF 公 司、英国的 ANDERSON 公司和美国的 JOY 公司各自研制了一系列的采煤机机 型，德国的 EICKHOFF 公司研制了 EDW 系列电牵引薄煤层采煤机，其中 EDW170-LN 型可以调节滚筒高度，增大了滚筒开采范围；EDW300-LN 型为爬 底板式，装机功率为 335 kW，牵引功率为 217.5 kW，牵引速度为 05.4 m/min； EDW450-L 型是 EDW300-L 的功率升级型，功率增大了 60[4-5]。除德国、英国、 美国外，前苏联、波兰两国在这一时期的薄煤层采煤机也有典型特点。前苏联的 薄煤层采煤机整机尺寸小、采煤功率高，被广泛应用在美国、捷克、比利时等国 万方数据 全日制工学硕士学位论文 2 家[6]。 波兰的 KSE-344 型爬底板式电牵引采煤机是与我国煤科总院上海分院联合 研的，之后又合作研制了 KES-360 型薄煤层采煤机[7]。 进入 90 年代后，美国、英国、日本、乌克兰等国家的薄煤层采煤机在远程 操控、电机布置等方面具有明显特点。美国 JOY 公司推出了 4LS、6LS 系列电 牵引采煤机， 其中 4LS 适用于薄煤层开采， 4LS 系列采煤机的特点是采用微机控 制和远程控制。英国 LONG-AIRDOX 公司推出了 Electra 电牵引采煤机，多电机 横向布置，牵引功率为 233 kW，牵引力为 504 kN。日本三井三池公司的采煤 机特点是可以远程遥控控制和无线电控制。 乌克兰研制的薄煤层采煤机为爬底板 式，电磁调速，采高为 0.81.3 m。 进入 21 世纪后，国外薄煤层采煤机逐渐往高可靠性、易操作、易维护等方 向发展。2011 年美国 JOY 公司推出了机身高度为 0.89 m、装机功率为 820 kW 的 7LS0 型薄煤层采煤机，为了提高该型采煤机对复杂地形的适应能力，其牵引 变压器、变频器布置在专门控制箱里，缩短了机身长度。2015 年波兰 Kopex 公 司展示了第二代黑龙薄