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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“煤机装备理论与技术”专题(《煤炭学报》)

来源:煤炭学报

专题整理于2021年5月,为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“煤机装备理论与技术”主题论文。

行业视野

智能化

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  • 作者(Author): 张彦禄, 王步康, 张小峰, 李发泉

    摘要:连续采煤机短壁机械化开采技术在提高煤炭资源采出率、促进我国煤炭工业高质量发展等方面发挥着重要作用。改革开放以来,我国连续采煤机短壁机械化开采技术实现了“由弱到强”的发展历程,依靠相关技术与装备科技的创新,支撑着煤炭资源采出率持续提升。首先从煤柱及不规则块段开采、“三下”压煤开采、露天边帮压煤回收、中小煤矿采煤机械化升级改造和延长矿井服务年限等方面,全面系统阐述了我国煤炭工业对短壁开采的技术需求,并系统回顾和总结了连续采煤机短壁机械化开采的工艺、理论及装备的发展历程。工艺方面,连续采煤机短壁采煤法从房柱式发展到旺格维利式,再到以块段式采煤为代表的现代房柱式采煤法,形成了具有中国特色的短壁机械化开采技术体系。从回采方式、通风方式和顶板管理等方面总结了3种工艺的特点,并指出块段式采煤是短壁开采的高级阶段。理论方面,从短壁开采的煤柱稳定性、地表沉陷控制、顶板控制等方面总结了短壁开采理论的研究进展。装备方面,研制了连续采煤机、锚杆钻车、梭车、连续运输系统、给料破碎机、履带行走式液压支架、铲车、柔性连续运输系统等系列化、成套化的短壁机械化开采装备,促进了煤矿短壁装备的国产化进程及其技术进步,形成了适应我国不同煤层赋存地质条件和开采条件、具备自主知识产权的短壁开采装备体系,使我国煤矿短壁开采技术与装备水平跃升到新的台阶,支撑了我国煤炭资源的高效开发,引领了煤矿短壁开采技术与装备的发展方向。最后,分析了连续采煤机短壁机械化开采技术发展过程中的问题,围绕煤矿智能化建设主题,提出了短壁开采技术的发展方向及建议。
  • 作者(Author): 朱瑾, 陈华辉, 滕子, 马峰

    摘要:刮板输送机中板的严重磨料磨损造成了运输效率降低、维修费用增加等问题,同时也影响着煤矿的生产安全。对新研制的拟用于刮板输送机中板的新型不同Ti含量低合金耐磨钢Ti20与Ti60的组织、相结构进行了研究,并在橡胶轮干砂磨粒磨损试验机上进行了石英砂和煤砂混合两种磨料的磨料磨损试验,并与常用于刮板输送机中板的马氏体耐磨钢Hardox450做了对比研究。新型耐磨钢Ti20和Ti60的含Ti量分别为0.2%和0.6%,铸造后轧制成板,热处理工艺为900  ℃淬火后200  ℃回火。研究结果表明:Ti20与Ti60的组织为板条马氏体。随着Ti含量的增加,耐磨钢的原奥氏体晶粒度减小,马氏体板条长度也减小。Ti与C在原奥氏体晶界处原位生成了尺寸为1~5 μm的不规则TiC颗粒,TiC颗粒起到了钉扎晶界、细化晶粒的作用。在石英砂和煤砂混合两种磨料的磨损实验中,由于煤砂混合磨料主要成分煤粉的硬度远低于石英砂,颗粒较为圆钝,因此,耐磨钢在石英砂磨料的微犁削沟槽深度和宽度远大于煤砂混合磨料的磨损。无论在石英砂还是在煤砂混合的磨损条件下,耐磨钢的磨损失重都随着Ti的增加而降低。加Ti的新型耐磨钢的耐磨性可达Hardox450的1.3倍。耐磨钢的磨损机制主要为微切削和微犁沟。随着Ti含量的增加,Ti元素集中区域较为光滑,犁沟受到阻碍,犁沟和切削槽深度变浅。原位生成的TiC颗粒起到了局部强化作用,增强了周围区域的硬度和对磨料的阻碍作用,提高了新型耐磨钢的耐磨料磨损性能。
  • 作者(Author): 赵丽娟, 金鑫, 赵宇迪, 王斌

    摘要:复杂煤层赋存条件下工作的采煤机,其螺旋滚筒所受载荷具有非线性、时变性、冲击性和强耦合性,磨损问题不可避免,且严重影响其工作性能和生产效率。基于虚拟样机技术,采用离散元数值模拟方法研究含夹矸煤层条件下螺旋滚筒的磨损特性,以提高其截割性能、延长其使用寿命。以煤岩截割机理和离散元素法为基础,分析了滚筒与煤岩体间相互作用关系及滚筒磨损模型;以MG2×55/250-BW型采煤机螺旋滚筒为工程对象,采用Hertz-Mindlin with bonding黏结模型为颗粒间接触模型、Hertz-Mindlinwith Archard Wear模型为煤岩体与滚筒间接触模型,利用Proe/E与EDEM建立滚筒截割含夹矸煤层耦合模型;采用正交试验法,分析采煤机牵引速度、滚筒转速、螺旋升角和煤岩抗压强度对滚筒磨损问题的影响趋势,经过多元回归分析得到截齿、叶片磨损深度的评价模型;基于实际工况,综合考虑采煤机截割比能耗、载荷波动系数和生产率,构造多目标优化函数,利用MATLAB求解得到滚筒最优工作参数。基于EDEM离散元仿真分析结果,发现滚筒组件存在不同程度磨损,其中截齿齿尖局部接触区域磨损最为严重,叶片主要磨损区域为尾片齿座根部位置附近。煤岩抗压强度、采煤机牵引速度增加,截齿、叶片磨损加剧;滚筒转速增加,截齿磨损深度减小,叶片磨损深度先增加后减小;螺旋升角增加,截齿磨损深度先增加后减小,叶片磨损深度逐渐减小;其中,煤岩抗压强度是造成截齿、叶片磨损的主要因素。当截割煤岩抗压强度为30 MPa的煤层时,采煤机牵引速度为5.66 m/min、滚筒转速为80.40 r/min、螺旋升角为11.35°时,滚筒性能达到最优,此时采煤机截割比能耗为0.713 2 kW·h/m3、载荷波动系数为0.081 9、截齿、叶片和端盘的磨损深度分别为1.595 μm,1.061 7 nm和0.907 nm,生产率为315.465 5 t/h。离散元仿真结果中滚筒磨损部位分布与现场工况下滚筒实际磨损情况具有一致性,验证了建立的仿真模型与过程的可行性。基于此研究方法可实现滚筒磨损问题的定量分析,极大地降低试验成本,有助于高效、强力、耐磨滚筒的研发。
  • 作者(Author): 李腾达, 王继仁, 张春华, 张坤

    摘要:考虑到掘进机接地比压决定了掘进机通过性和工作稳定性,是确定掘进机与地面附着力矩的基础,研究了掘进机横摆截割工况下接地比压分布情况。首先对掘进机横摆工况进行分析,确定掘进机与巷道底板接触部件与载荷构成。使用SolidWorks建模确定不同工况下掘进机重心坐标,使用Cftool拟合工具对已有数据进行拟合,得到掘进机重心坐标随横摆角和纵向角度的拟合曲线(曲面)。推导考虑不同截割部横纵向角度、巷道倾角以及后支撑载荷情况下掘进机履带接地比压分布公式。以国产EBZ300型掘进机为研究对象进行实例数值计算。研究结果表明:实例中接地比压最大值为0.312 MPa,超过了EBZ300掘进机说明书中计算的平均接地比压0.198 MPa,验证了通常使用的平均接地比压计算方法无法真实体现接地比压分布情况;截割部横摆导致重心偏移,使得偏重一侧履带的接地比压大于另一侧。得到了不同参数影响下掘进机两侧履带接地比压分布规律。依据相似比例制作掘进机模型机,通过模型机进行截割部横摆角和纵摆角变化对履带接地比压分布影响的实验验证。实验测得这两种工况下掘进机履带接地比压分布情况和计算结果规律基本一致,误差不超过20%。通过实验验证了本文理论计算方法的可行性和有效性。
  • 作者(Author): 刘春生, 李德根, 袁昊

    摘要:针对煤岩机械刀具破碎煤岩寿命和效率低的问题,提出一种具有轴向振动与径向切削破碎煤岩的方法,为探明碟盘刀具在轴向振动与径向切削破碎煤岩的力学特性,通过分析煤岩崩落面积、当量崩落角、载荷的集中力及其作用位置角,以单位断裂面上受力极限强度和最小能量法的准则,构建碟盘刀具破碎煤岩力学模型。基于扩展线性Drucker-Prager塑性本构模型,采用ABAQUS软件模拟碟盘刀具破碎煤岩的应力云图和载荷特性,在振动切削试验台上通过设定振动频率和振幅等参数测试不同切削厚度下的碟盘刀具破碎煤岩的载荷谱,提取数值模拟和试验碟盘刀具破碎煤岩的载荷特征,对比分析理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值和数值模拟峰值的均值。结果表明:碟盘刀具破碎煤岩的破裂范围呈现月牙状,由中间向两侧递减;振动切削煤岩时其径向载荷明显小于单作用径向切削煤岩的载荷;碟盘刀具在轴向振动与径向切削时不同切削厚度径向载荷理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值的平均误差为9.12%,与试验载荷峰值均值的平均误差为4.88%;轴向载荷理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值的平均误差为9.25%,与试验载荷峰值均值的平均误差为8.34%。通过数值模拟和试验研究验证了碟盘刀具理论模型的准确性,为高效破碎煤岩的截割刀具研制与解决高效掘进硬煤岩巷道截割技术的瓶颈奠定了基础。
  • 作者(Author): 刘德洋, 彭利平, 王浩宇, 陈云峰, 黄环, 韩帅

    摘要:附加气室空气弹簧在两个气室之间设有节流元件,可吸收振动的能量,具有良好的阻尼特性。作为一种新型隔振元件,附加气室空气弹簧能缩短振动筛过共振区时间,减小共振振幅及附加倾摆运动,提高振动筛运行的平稳性。分析振动筛二自由度动力学模型,并求解运动学微分方程,发现振动筛实际振动方向角不等于激振力作用方向角,振幅和抛掷指数也可用单自由度模型表征;利用热力学和流体力学理论建立附加气室空气弹簧的线性模型,得到其刚度阻尼的表达式,基于此,推导出附加气室空气弹簧的振动筛动力学模型,并建立运动学微分方程;搭建附加气室空气弹簧隔振系统和振动实验台,测试实验台的运动学参数;在MATLAB/Simulink环境下对所建动力学模型进行仿真研究,并与实验台测试结果进行了比较分析。结果表明:模型仿真振幅为5.321 mm,实验测试的稳态振幅为5.372 mm,二者误差仅为1%,具有较高的准确性。模型仿真结果显示:电机转速对振幅影响较小,对抛掷指数影响较大,随着电机转速由840 r/min增加到990 r/min时,振幅由4.549 mm降为4.427 mm,抛掷指数由3.6上升到4.9;改变隔振系统的初始气压可以调节振幅,当初始气压由0.1 MPa增加到0.6 MPa时,振幅由4.446 mm增加到6.159 mm;节流孔直径对振幅的影响不明显,当节流孔直径由2 mm增加到20 mm时,振幅由4.443 mm变为4.467 mm;通过改变电机转速和隔振系统初始气压组合,可以使试验台振幅在4.45~6.16 mm、抛掷指数在3.46~6.16内变化,实现对振动筛的调节。
  • 作者(Author): 田立勇, 李文政, 隋然

    摘要:采煤机实际运行过程中工况环境恶劣,滑靴作为连接采煤机与刮板输送机的重要部件,在剧烈的非线性冲击载荷下极易损坏,直接影响采煤机工作效率,降低煤矿井下生产效益。为研究斜切工况下采煤机滑靴力学特性,以MG500/1130-WD型电牵引采煤机为研究对象,构建斜切工况下采煤机整机空间力学模型。根据煤岩截割理论,结合煤岩性质与采煤机结构参数,利用Matlab求解计算采煤机滚筒截割载荷与滑靴各接触载荷,提出一种基于平滑靴销轴传感器、导向滑靴销轴传感器、导向滑靴销轴拉力传感器等多传感器融合的采煤机滑靴受力检测系统,并依托国家能源煤矿采掘机械装备研发试验中心进行现场实验验证。实验结果表明:采煤机工作过程中,同种滑靴受力大小基本相同,后侧滑靴所受载荷略大于前侧滑靴所受载荷,平滑靴支撑力大于导向滑靴支撑力且导向滑靴轴向载荷明显大于竖直方向载荷。实验过程中滑靴最大载荷出现在斜切进刀阶段,受刮板输送机位姿、落煤等因素影响,实验值均大于理论值。利用Solidworks建立滑靴三维模型,将现场实验数据导入ANSYS对滑靴进行有限元仿真分析,得到采煤机滑靴最大斜切受载下的应力云图与位移云图,为滑靴结构优化提供基础。
  • 作者(Author): 王国法, 胡相捧, 刘新华, 于翔

    摘要:针对口孜东矿121302工作面使用的四柱支撑掩护式液压支架适应性较差的问题,统计分析了121302工作面的矿压和支架受力特点,基于平面杆系建立了四柱支撑掩护式支架的力学模型,推导出支架极限外载荷大小和分布区间的解析表达式,得出支架外载荷与顶梁合力和底座合力是一一对应关系,支架能够平衡的外载荷必须满足其对应的顶梁合力和底座合力均在其长度范围内,否则,支架将不能保持稳定状态;支架极限外载荷区间不是完全覆盖顶梁长度,依据前后排立柱的最大工作阻力和最大拉力分为5个区域:前排立柱达到最大拉力区、后排立柱达到最大工作阻力区、前排立柱达到最大工作阻力区、后排立柱达到最大拉力区、无承载能力区,其中,无承载能力区的区间取决于支架高度、摩擦因数以及顶梁前端至底座前端的水平距离。通过实例分析了支架前后排立柱不同工作阻力分配比例和摩擦因数对支架适应性的影响,结果表明:支架前后排立柱工作阻力不能相差太大,太大会降低支架的适应性;顶底板松软和较大俯采角度的工作面,支架前后排立柱工作阻力分配比例6∶4时最为合理;通过增大中缸环形面积以提高后柱的受拉能力来提高支架适应性,为了保护导向套和立柱连接件不受损坏,立柱的上腔加装安全阀,并加强后排立柱的连接件强度;摩擦因数取负时,支架极限外载荷区间最小,随支架高度降低,支架极限外载荷区间增大;摩擦因数取非负时,摩擦因数越大,支架前端的承载能力越大,随支架高度降低,支架极限外载荷区间减小。
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