采煤机滚筒高效截割的动力学性能与评价的研究

In order to develop the coal mining machinery that is reliable and efficient and high-end, on the basis of the internal relations between picks, geometric parameters, motion parameters of drum and deformation, destruction of coal-rock, the research of dynamics performance and evaluation of drum cutting is carried out. The cutting test-bed of adjustable parameters and multi-gear rotation is applied, at the same time, adopting three synchronous test system, high speed camera and infrared thermograph, which combine with the test to collect the information of deformation ,damage of coal-rock and data from load spectrum, torque spectrum、current spectrum and hot. To explore the dynamic characteristics of coal-rock, establish the digital model and finite element analysis model of statistical law of coal-rock broken, this paper researches on the relationships of topological between the single pick load spectrum and pick load spectrum in time domain and the frequency domain through applying discrete regularization reconstruction. Based on this, applying nonlinear dynamics theory, forming the dynamic model of catastrophe and chaotic, exploring the influence law of the parameters of pick and drum on coal-rock broken, putting forward evaluate system of efficient cutting, constructing four comprehensive evaluation index models of cutting load, cutting specific consumption, lump coal percentage and rock degrees reliability，as a criteria of efficient cutting design provide the support of the theory and technique for ecological design that is green energy saving and evaluate shearer drum of efficient cutting.

为研制高效、高可靠性、高端采煤机械，依据采煤机镐型截齿和滚筒的几何参数、运动参数与煤岩变形、破坏的内在联系，研究滚筒截割煤岩动态特性与性能评价。利用参数可调式多齿旋转截割实验台，采用三轴力同步测试系统、高速摄像机和红外热像仪，结合现场试验，采集煤岩变形、破坏信息以及载荷谱、扭矩谱、电流谱和热像等数据，探明镐型截齿和滚筒破碎煤岩的动力学特征，建立煤岩破碎统计规律的数字化模型和有限元分析模型，应用离散的正则化重构方法，研究单截齿载荷谱与多截齿载荷谱在时域、频域内的拓扑关系。在此基础上，应用非线性动力学理论，建立滚筒截割煤岩时的突变和混沌动力学模型，探明截齿与滚筒的各项参数对煤岩破碎状态的影响规律，给出高效截割性能的评价方法，构建截割载荷、截割能耗、煤岩块度与粉尘量和可靠性四个综合评价指标模型，作为高效截割设计的准则，为生态化（绿色节能）设计与评价高效截割的采煤机滚筒提供理论与技术支持。

滚筒式采煤机是集约化矿井中最为关键的大型设备之一，是安全、高效机械化采煤的核心设备，其高可靠性、高效的性能是实现井下工作面集约化、信息化和智能化开采的重要基础保证。由于滚筒上截齿与煤岩作用的不确定性，致使滚筒载荷难以精确定量确定，为此，开展滚筒式采煤机高效截割煤岩动力学特性与性能评价的研究，取得了一些国内外未见报道的研究成果。.（1）获得了各典型工况下，不同结构和工作参数下截齿截割破碎煤岩的规律。经过系统地对截齿截割破碎煤岩理论与方法的研究，创新地研发出多截齿截割参数可调的煤岩截割实验台，可以实时、准确地测试镐型截齿的截割三向载荷、截割扭矩和截割功率等参数；理论上建立了截齿的力学模型和三向载荷模型，揭示了截齿与煤岩作用的量化力学模型。.（2）截齿三向载荷与滚筒三向载荷的拓扑关系制约高可靠和高性能采煤机的关键。课题组通过多截齿旋转截割实验台和理论研究，获得了不同结构参数和工作参数下载荷谱的拓扑关系，成功地解决了截齿载荷与滚筒三向载荷转化的拓扑关系。.（3）课题组创新地提出载荷谱辨识与重构的方法，其可减少实验，根据已有实验结果和理论可以准确地确定不同工况下截割载荷的变化趋势。镐型截齿破碎煤岩载荷的大小与变化规律是制约高效截割煤岩的基础，利用正则化理论，建立了载荷谱的重构模型，给出了载荷谱的重构算法，确定了实验载荷谱的重构谱与重构载荷谱的关系，该理论成果未见国内外报道。.（4）截割煤岩性能的综合评价是实现低能耗的生态设计理论基础，课题组首次将分形和熵等理论运用到评价截割性能，通过研究不同载荷谱的数学描述，结合分形、混沌等理论揭示了载荷谱的截割性能，综合评价了截割性能，其成果均是首次提出。.课题组紧密围绕研究内容和关键科学问题，通过团队的协作与分工，充分努力及学术交流，形成了截齿截割煤岩的力学模型与性能的评价理论，凝聚了一支结构合理的研究团队，研究成果实现了预期目的标。本项目发表学术论文29篇，煤炭学报3篇，其中EI检索5篇，获得中国百篇最具影响国内论文和中国精品科技期刊顶尖学术论文（F5000）1篇；申请发明和实用新型专利8项，发明3项；出版专著 “十二五”国家重点图书1部，获得中国煤炭工业协会专利奖二等奖1项；培养博士1名，硕士7名。