大功率刨煤机刀群煤岩耦合作用机理及刨头系统设计理论研究

Due to the lack of multi plow bit design theory and method, during the coal cutting process, high power plow tends to have the following problems: plows bit abrasion and fracture, low operating stability of plow body, serious plow bit fluttering, cutting into coal floor and plow body getting stuck, etc. Based on theoretical analysis, numerical simulation and experimental analysis, multi plow bit-coal coupling mechanism is presented and plow body system's coal adaptability design theory is constructed. Discrete element simulation model of multi plow bit cutting coal is built, plow bit cutting coal experiment is carried out, and the simulation model is modified. Calculation model of the coupling action between impact stress wave of plow bit against coal and geostress is constructed, the dynamic changing rules of stress field and velocity field under the coupling action between plow bit and coal is analyzed, and the mechanism of coupling action between plow bit and coal is revealed. Parameter extraction and mathematical description and expression of plow bit space topological structure, coal characters, and cutting technology is researched, mathematical model of plow bit cutting performance is constructed, plow bit multi boundary conditions and multi field parameter mapping correlations are identified, and coevolutionary multi parameter correlations adaptability design theory of the high power plow body is constructed. The research provides basic theory support and methodological guidance for thin seam mining plow complete-set equipment design，and has great academic significance and important applied value in engineering.

由于组合刀群设计理论和方法的缺乏，大功率刨煤机在煤岩刨削过程中易出现刨刀磨损、断裂失效，刨头运行稳定性差，飘刀、啃底、卡刨头现象严重等问题。本研究采用理论分析、数值仿真、实验分析相结合的方法，研究复杂煤层刨头刀群与煤岩耦合作用机理，建立大功率刨煤机刨头系统煤岩适应性设计理论。构建组合刀群刨削煤岩离散元仿真模型，开展刀群刨削煤岩实验，修正仿真模型；建立刀群冲击煤岩应力波与地应力耦合作用的计算模型，分析刨削过程中刀群与煤岩耦合作用下应力场、速度场的动态变化规律，揭示刀群煤岩耦合作用机理；研究刀群空间拓扑结构、煤岩特性、刨削工艺等参数的提取和数学描述与表达，建立刨煤机刀群刨削性能数学模型，识别刀群多边界条件、多领域参数映射关联，建立协同进化的大功率刨煤机刨头多参数关联适应性设计理论与方法。研究将为我国薄煤层开采刨煤机成套装备设计提供基础理论支撑和方法指导，具有重要的学术意义和工程应用价值。

由于组合刀群设计理论和方法的缺乏，煤岩刨削过程中易出现刨刀磨损、断裂失效，刨头运行稳定性差等问题。建立大功率刨煤机刨头多参数设计理论与方法，为我国薄煤层开采成套装备设计提供基础理论支撑与方法指导，具有重要的学术和工程应用价值。.采用实验分析、数值仿真、理论分析方法，①完成刨煤机相似性实验系统的构建与改造，煤岩刨削实验系统与原型机的固有频率相似比例为3:1。开展煤岩刨削负载特性实验，实验数据为仿真模型标定提供基础参数。②建立单体刨刀刨削煤岩特性仿真分析模型，开展截深、刨速、刨刀前角等工艺参数对煤岩破碎形态与刨削截割力影响规律研究。发现刨刀截割煤岩为断续切削，刨刀截割负载随着截深增大而增大。随着刨速增加，煤屑块度变化趋势并不明显。随着截深的增加，煤屑块度增大。小粒度块煤产生于煤岩应力集中作用区域裂隙的扩展、撕裂，大块度煤屑多出现在刨刀切入、切出煤岩过程，在煤岩切出阶段自由面较多，易形成大块度煤屑。③构建组合刀群刨削煤岩离散元仿真模型，开展刨头刀群与煤岩耦合作用机理分析。发现对于煤岩刨削刀群负载特性，各因素影响顺序为刨刀排距＞刨刀刨削位姿角＞刨刀阶梯排列角。设计刀群结构时，刀群排距设计参数应为40-70mm之间；刀群刨削位姿角最优结构设计参数为30°，且应在20°至40°之间选取刨削位姿角尺寸参数；刀群刨刀阶梯排列角的最优结构参数设计域为55°至70°之间，以60°为刀群刨刀阶梯排列角最优结构设计参数。④以刀群结构参数刨刀排距、刨刀刨削位姿角、刨刀阶梯排列角为指标，基于改进粒子群算法构建刨刀刨削煤岩性能多参数关联模型。⑤基于左右刨体滑靴搭接结合面尺寸参数优化模型；左右底刀架、左右顶刀架相邻刨刀座水平排距，相邻刨刀座位姿角参数优化模型；刨头系统总基体多目标结构拓扑优化模型，建立了刨头系统的多参数综合优化设计理论与方法体系。⑥开发了大功率刨煤机总体方案设计系统，实现刨煤机结构组件的快速开发与建模。