滚筒设计参数与粉尘爆炸率关系的数学模型

综采工作面的粉尘主要是由采煤机截割煤炭而产生,螺旋滚筒作为采煤机的工作装置,直接与煤岩接触,参与落煤和装煤的过程,其结构参数、工作参数直接决定着机器工作时的产尘量大小,影响工作面的粉尘浓度。因此,笔者通过简化与假设,在粉尘检测数据的基础上,选取滚筒直径,螺旋头数,截线间距,每线齿数和切屑厚度为自变元,提出了工作面粉尘爆炸概率的确定方法,建立了滚筒设计参数与采煤工作面粉尘爆炸率之间关系的数学模型,为分析机械参数与安全之间的关系和影响、为合理地设计滚筒及其采煤机的参数、减小采煤工作面的粉尘、降低粉尘爆炸率、提高煤炭生产的安全提供理论依据。     

滚筒设计参数对粉尘爆炸率影响的研究

利用所建立的数学模型,以国产某型滚筒式采煤机为例,采用计算机模拟的方法,得到了采煤机最大切屑厚度、每线齿数、牵引速度、截线间距、滚筒转速、滚筒直径、叶片头数以及煤岩破碎性能指标与粉尘爆炸率之间的关系曲线,通过分析,确定了各参数对粉尘爆炸率的影响,为预测采煤机工作对粉尘爆炸率的影响、完善采煤机工作性能的评价体系,为改进机器设计、减小采煤机的截割粉尘、降低粉尘爆炸率、提高煤炭生产的安全性提供理论依据。     

采煤机滚筒参数优化及其对摇臂安全使用性能影响

为降低采煤机滚筒工作时的截割比能耗和载荷波动,以提高采煤机安全使用性能,优化设计采煤机滚筒直径、叶片螺旋升角以及滚筒截深等参数。通过建立优化目标函数和约束条件,以改进的遗传算法为优化问题的求解算法,对采煤机滚筒参数进行多目标优化;使用有限元软件和疲劳寿命分析模块分析优化前后采煤机摇臂的应力分布和疲劳寿命循环次数,分析优化前后滚筒工作载荷对采煤机摇臂安全使用性能的影响。研究表明:优化后的采煤机滚筒比能耗值指标平均降低45. 6%,载荷波动系数指标平均降低1. 3%;优化后的摇臂壳体应力极值相比优化前的极值降低12. 34%,滚筒参数优化后,滚筒载荷波动被降低,从而使摇臂壳体应力同步降低,低于设计的安全许用应力;臂壳体各薄弱点的疲劳寿命循环次数满足采煤机设计的使用寿命要求;滚筒参数优化改善了采煤机摇臂的安全使用性能。     

采煤机多参数耦合匹配优化智能降尘控制研究

为实现对采煤机截割煤岩过程中粉尘质量浓度的最优控制,开发一种基于多参数耦合匹配优化的采煤机智能降尘控制方法。以最低粉尘质量浓度为目标,以牵引速度、滚筒转速以及截割深度为变量,建立采煤机最优降尘控制的多参数耦合优化匹配模型;采用迭代优化方法,结合优化终止判定条件,得到最低产尘量时的采煤机多工作参数优化结果。采用综采面3机配套模型进行截割控制与测试试验。结果表明,在采煤机多参数迭代优化过程中,粉尘质量浓度快速下降收敛,优化前后粉尘质量浓度分别为632和158 mg/m3,降尘效率达到75%。     

基于VP-MFC的采煤机摇臂系统齿轮性能退化可靠性分析

齿轮作为采煤机摇臂系统的关键零件,其性能退化对采煤机的工作可靠性有着重要影响。建立了采煤机摇臂系统的刚柔耦合虚拟样机（VP）模型,基于仿真结果,计算得到温度载荷,应用ANSYS对摇臂系统的薄弱齿轮副进行多场耦合（MFC）分析,得到了齿轮的温度场及结构场云图。建立引入裂纹后的齿轮有限元模型,利用FRANC3D对其进行断裂裂纹扩展数值模拟,得到了齿轮的裂纹前缘应力强度因子、扩展轨迹与疲劳寿命。提出以齿轮的裂纹扩展疲劳寿命和可靠度为退化指标的定量评估方法,结果表明齿轮性能退化成指数分布。将虚拟样机、多场耦合与断裂力学相结合,为齿轮性能退化可靠性研究提供了新的方法。     

地表夯击载荷作用下埋地管道力学分析

为研究地基强夯作业中夯击载荷对埋地管道力学性能的影响,基于有限元原理建立了夯锤-管道-围土耦合三维模型,分析了夯击过程中管道截面变形及所受冲击力变化规律,研究了管道壁厚、夯击速度、夯锤体积对管道应力、应变及变形的影响规律。结果表明:夯击载荷下的管道所受冲击力为脉冲型,且随时间推移逐渐降低为0,最大冲击力随管道壁厚、夯击速度、夯锤体积增大而增大;管道最大等效应力、高应力范围及最大等效塑性应变随壁厚增加而减小,但随夯击速度或夯锤体积增大而增大;随着夯击速度、夯锤体积增大,管道截面变形率（椭圆度或凹陷率）逐渐增大,但其随壁厚增加而减小。     

基于流固耦合的多弯管路系统动力学分析

为研究多弯管路系统的动力学特性,基于流固耦合和有限元原理,对充液L型管道的固有特性进行了数值模拟,并与TMM(传递矩阵法)进行了对比,证明了数值模型的合理性。建立了水下多弯管路的数值模型,进行了流固耦合模态分析,研究了壁厚、管径对管路固有频率的影响规律。并对非定常流下多弯管路系统的动力响应进行了分析,研究了壁厚和波动速度对管道振动的影响规律。研究结果表明:考虑管内、外流体与管道三者耦合时的管道固有频率比只考虑管内流体与管道二者耦合和不考虑耦合时小,但流固耦合作用对管道模态振型的影响较小;管道的固有频率随管径和壁厚的增大而增大, 气体与管道之间耦合作用对管道固有频率的影响小于液体;非定常流下,多弯管路的振动幅值随着壁厚的增大而减小,随着波动速度的增大而增大。     

考虑轮轨耦合的过山车轨道结构疲劳寿命评估

针对过山车轨道寿命预估难题,完成了基于轮轨耦合关系的过山车轨道寿命预估。首先在ADAMS中基于轮轨耦合进行仿真计算得到轮轨接触力,随后在ANSYS中建立过山车全轨道有限元模型并进行仿真计算,结果显示轨道螺旋段应力明显大于其他轨道单元段,轨道结构中枕轨应力集中现象突出,故以螺旋段枕轨应力最大处作为疲劳校核点。在获得疲劳校核点的应力-时间历程后运用雨流计数法提取循环载荷,最后采用基于疲劳损伤累积理论对轨道进行寿命预估。     

可控震源振动器系统不确定性分析

为了解决可控震源施工过程中振动器系统的安全性问题,采用故障树法建立仿真 模型。通过失效分析得出各故障单元的失效模式及单元间分布规律,计算出振动器系统 的可靠度。开展对该系统敏感性的不确定性分析,得出影响振动器系统可靠性的关键因 素为重锤上部密封失效。采用有限元法对其应力场进行模拟仿真。结果表明:随着工作 频率的升高,O形圈应力波动越大,密封越容易失效。Von Mises应力随压缩率的增大先 减小后增大,随槽口半径的增大而增大;接触应力在一定范围内随压缩率及槽口半径的 增大而增大。为振动器的结构优化与可靠性设计提供理论依据,并为油气资源勘探开发 的安全作业提供工程应用指导。     

串接组合式迷宫螺旋泵的气液两相流数值模拟及试验研究

为研究串接组合式迷宫螺旋泵在实际污水处理过程中的曝气增氧效果和内部的流动情况,应用计算流体力学FLUENT软件,基于混合物多相流模型,对串接组合式迷宫螺旋泵内部三维多相流场进行了数值模拟,分析了不同含气率条件下流场的压力、速度、气相分布情况,分析得出:泵的压力梯度在不同含气率下有所不同,但压力分布都是沿着轴向方向增加,增压效果明显;转子流域的速度明显高于定子流域,且随着含气率的增大,转子流域速度越来越小,定子流域速度越来越大;泵整体含气率比较均匀,随着含气率的增大,出口流域含气率明显高于进口流域和螺旋环流域,有大量气体聚集的现象。试验结果表明:泵的扬程模拟曲线和试验曲线基本吻合,扬程误差值在7%左右,说明数值模拟结果较为准确,串接组合式迷宫螺旋泵在进行气液混输时出口气泡均匀,水中含氧量多,具有良好的曝气增氧效果。     

基于强度理论及虚拟仿真相结合的行星减速机构可靠性分析

基于破煤理论建立了采煤机的力学模型,采用ADAMS建立采煤机刚柔耦合模型,并解决了边界条件添加、接触法向力提取等技术问题,分析了行星轴、架的可靠性;基于行星减速机构强度校核基本原理,开发了行星齿轮强度校核软件,以虚拟仿真中的动态接触法向力为输入,对某公司两种行星减速机构设计方案中各齿轮的接触应力和弯曲应力进行研究。该方法解决了传统分析中齿轮受力无法确定以及采用有限元软件无法求解齿根弯曲应力、求解接触应力时间过长的不足。结果表明:二级行星减速机构采用4行星轮结构要优于采用3行星轮方案,传动更稳定、可靠。     

基于强度理论及虚拟仿真相结合的行星减速机构可靠性分析

基于破煤理论建立了采煤机的力学模型,采用ADAMS建立采煤机刚柔耦合模型,并解决了边界条件添加、接触法向力提取等技术问题,分析了行星轴、架的可靠性;基于行星减速机构强度校核基本原理,开发了行星齿轮强度校核软件,以虚拟仿真中的动态接触法向力为输入,对某公司两种行星减速机构设计方案中各齿轮的接触应力和弯曲应力进行研究。该方法解决了传统分析中齿轮受力无法确定以及采用有限元软件无法求解齿根弯曲应力、求解接触应力时间过长的不足。结果表明:二级行星减速机构采用4行星轮结构要优于采用3行星轮方案,传动更稳定、可靠。     

本煤层顺层预抽瓦斯钻孔间距数值模拟研究

煤层瓦斯流动存在启动压力,在预抽钻孔抽采瓦斯的后期瓦斯渗流出现非Darcy渗流的现象,同时煤层瓦斯压力、吸附膨胀应力、有效应力等物性参数亦发生改变。为得到为得到启动压力对抽采的影响作用,基于煤岩弹性理论和瓦斯渗流理论,研究了在启动压力作用下非Darcy渗流现象,得到了考虑启动压力的达西定律,建立了考虑启动压力、地应力、吸附膨胀应力、孔隙压力共同作用的煤岩瓦斯流固耦合数学模型。采用建立的模型对漳村煤矿2601工作面瓦斯抽采钻孔间距进行数值模拟研究,研究结果表明:建立的考虑启动压力的煤岩瓦斯流固耦合数学模型具有一定的可靠性,一定负压下启动压力影响钻孔抽采范围。最终给出了漳村煤矿2601工作面预抽钻孔抽采设计参数。     

坚硬顶板综采工作面推进速度对矿压规律影响研究

以顾桥煤矿坚硬顶板综采工作面工程地质条件为背景,运用理论分析、数值模拟和现场实测手段,分析了开采速度对工作面覆岩运动、围岩破坏、应力分布和液压支架承载特性的影响。研究结果表明:1个周期来压内工作面落煤引起的岩梁刚性回转下沉量是一定的,工作面作业循环时间引起的岩梁蠕变下沉量与岩梁刚性回转下沉量呈正比,加快工作面推进速度仅减少围岩体蠕变引起的岩梁下沉部分。工作面开采速度增加,覆岩塑性区发育范围减小,煤壁应力集中位置变浅、应力集中系数变小。工作面快速推进时,液压支架承载多为2次増阻和3次増阻,支架工作阻力较小;缓慢推进时,液压支架承载多为1次急增阻,载荷近似呈线性增长,支架工作阻力较大。     

构造煤承压过程瓦斯渗透特性实验研究

构造煤具有瓦斯含量高、渗透率低等特征,是瓦斯抽采和灾害预防的难点。在采用“二次成型”法制取原煤样试件的基础上使用自行设计的“三轴应力瓦斯渗透性模拟实验装置”通过“应力-渗透性”实验,针对构造煤原煤试件不同瓦斯压力条件下的应力加、卸载过程的瓦斯渗透规律进行了研究。实验结果表明:加载阶段,随着加载应力的增大渗透率降低,初期阶段降幅最为急剧,围压升到3 MPa时,渗透率均下降近65%;卸载阶段渗透率随着应力的减小而增大,围压完全卸载后渗透率只恢复到初始值的25%;同样的应力条件下,煤基质收缩对构造煤的影响作用大于有效应力的增加,渗透率随着其内部瓦斯压力的降低而增大。实验结果可为构造煤“卸压增透”效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。     

综放工作面覆岩破坏特征及裂隙演化相似模拟试验研究

针对煤层开采后常出现矿压显现剧烈、煤岩透气性增大和地表下沉等问题,利用二维相似模拟试验研究综放工作面覆岩破坏特征并通过分形理论表征裂隙演化规律.试验结果表明:煤层基本顶初次来压步距为78 m,周期来压步距为24 m;煤层采动裂隙发育,距煤层顶板超过35 m;煤层开采后形成的覆岩裂隙具有分形特征,其分形维数随工作面的推进...     

不同推进速度下煤岩体采动力学行为响应特征与控制

为获得不同推进速度下煤岩体的采动力学行为特征,通过轴压和围压分别模拟不同推进速度下垂直应力、水平应力,采用增轴压降围压的方式模拟煤岩体的采动力学行为,同时采用数值模拟和工程实践相结合的方法对不同推进速度下煤岩体的采动力学行为进行研究。结果表明:在围压卸载速率相同的条件下,随着轴压加载速率（推进速度）的增加,煤体的峰值强度、轴向应变和横向应变呈增大趋势,在峰值阶段产生了较大的轴向应变和横向应变,呈现出一定的延性,破坏形式具有塑性特征;在轴向加载和围压卸载的综合作用下,煤体体积一直处于膨胀变形状态,围压的卸载加速了煤体损伤破坏的进程,煤体破坏时的峰值应力和体积扩容受控于围压卸载的程度,控制轴压加载速率和围压卸载程度可控制煤体破坏时的峰值应力和体积变形。生产实践中,应结合煤岩体的采动力学行为特征,确定合理的推进速度并加以控制,以保证回采巷道与采场围岩的稳定性。