夹矸煤岩高效截割滚筒落煤动力传递规律及结构进化理论研究

The lack of coal-rock parting bond contact model results in low dynamic reliability, high energy consumption and short life-span of the designed coal-rock cutting mechanism. Based on coal-rock partings bond contact model, the research of bidirectional coupling mechanism and power transfer laws of the cutting mechanism and coal-rock is the key to the design of high efficiency coal and rock cutting mechanism. Using the methods of field research, sampling analysis, theoretical calculation, numerical simulation, kinematics and dynamics simulation of virtual prototype, and experimental research based on similarity theory, the discrete element coal and rock partings bond contact model is built, and the theory and method of coal and rock cutting bidirectional coupling mechanism based on this model are researched. With the cutting and crushing experiment of coal-rock parting, coal-rock damage, avalanche, and flow characteristics and coupling interface pressure transfer law in cutting process are analyzed, coal falling trajectory model, coal-rock stripping failure model, power transmission model and cutting energy consumption model are established, and coal falling power transfer laws of efficient cutting drum of coal-rock parting are analyzed. With cutting power, cutting ratio energy consumption, squareness, cutting area, the reliability of key parts, and theoretical productivity as the comprehensive performance index, the influence of the drum structure parameters, kinematic parameters, coal-rock parting physical and mechanical properties on the working performance of coal mining machinery are studied, structure-evolved design theory and method of coal mining machinery working mechanism are formed.

由于夹矸煤岩黏结接触模型的缺失，致使所设计的煤岩截割机构动态可靠性差、能耗高、寿命低。建立在夹矸煤岩黏结接触模型基础上的截割机构与煤岩体双向耦合作用机理及动力传递规律的研究是设计高效煤岩截割机构的关键。项目采用现场调研、取样分析、理论计算、数值模拟、虚拟样机动力学仿真与基于相似理论的实验研究相结合的方法，建立夹矸煤岩离散元黏结接触模型，研究基于该模型的煤岩截割双向耦合理论与方法；结合夹矸煤岩截割破碎实验，分析截割过程中煤岩破坏、崩落、流动特性及耦合界面压力传递规律，建立滚筒落煤轨迹模型、煤岩剥离失效模型、动力传递模型及切削能耗模型，分析夹矸煤岩高效截割滚筒落煤动力传递规律；以截割功率、截割比能耗、方正率、切削面积、关键零件的可靠度、理论生产率为综合性能指标，研究滚筒结构参数、运动学参数、夹矸煤岩物理、力学性质对采煤机械工作性能的影响，形成结构进化的采煤机械工作机构设计理论与方法。

为解决夹矸煤岩黏结接触模型缺失、采掘机械设计依据难以量化问题，构建螺旋滚筒截割含夹矸煤岩双向耦合模型，研究螺旋滚筒瞬时负载特性及煤岩颗粒间力链网络演变规律、煤壁动态破碎过程及煤层赋存条件、滚筒结构参数、采煤机运动学参数对颗粒间接触载荷及煤流速度的影响；研究螺旋滚筒及含夹矸煤岩相似准则，自主设计开发了不同结构参数的螺旋滚筒缩比例模型、拟实含夹矸煤壁及煤岩截割综合实验系统。研究截齿及螺旋叶片磨损分布特点，构建其磨损深度响应函数、螺旋滚筒综合评价函数及结构进化算法，建立螺旋滚筒综合性能多目标优化模型，提出协同刚柔耦合虚拟样机的采煤机械动态与渐变可靠性设计理论与方法。.项目的主要研究成果：解决了构建含夹矸煤岩黏结接触模型及螺旋滚筒截割含夹矸煤岩双向耦合模型关键技术，揭示了螺旋滚筒截割含夹矸煤岩过程中煤岩体塑性域演化过程及动力传递规律，得到了螺旋滚筒最优落煤轨迹方程，实现了采煤机装煤率的可靠预测，形成了采煤机械工作机构及关键零件结构进化设计理论与方法。.项目执行期间，在国内外核心学术期刊发表论文57篇，其中SCI、EI收录16篇，授权专利7项；培养毕业博士5名、硕士19名；课题组主要成员3人赴英国牛津大学、利物浦大学等访学交流1-3个月。. 研究成果实现技术转化，课题组受大同菲利普斯采矿机械有限公司委托开发的“采煤机螺旋滚筒辅助设计及载荷计算软件”已用于为天地上海、西安煤机、三一重装、上海创力、太重煤机配套螺旋滚筒的设计，并已在神东煤炭集团、晋能控股、宁夏煤业集团、中煤集团、山东能源、贵州朗月集团、平煤集团、陕煤化、沈阳焦煤股份等所属矿区安装使用，滚筒的动态可靠性及装煤率显著提高，申请软件著作权1 项。. 项目的研究成果为开发具有我国自主知识产权且性能优良的高效强力截割螺旋滚筒，量体裁衣地进行采掘机械的创新设计奠定必要的理论基础，具有重要的理论意义和工程应用价值。