刨煤机刨刀刨削煤岩力学特性研究及其优化设计

摘要

刨煤机是开采薄煤层的采煤机械，随着薄煤层开采向自动化、少人或无人工作面开采方向发展，刨煤机需求越来越紧迫。刨煤机在设计初期就应该全面考虑主要零部件的力学性能、强度和寿命问题，但目前采用的设计方法大多数为传统设计方法，开发周期长、成本高，无法预知刨煤机关键零部件刨削煤岩时的受力情况。
　　论文主要思路为针对滑行刨煤机实际使用情况，考虑目前刨煤机设计状况，在对刨煤机刨刀刨削煤岩实验研究基础上，结合刨煤机刨削煤岩的理论研究，通过构建煤岩损伤本构模型，对刨刀刨削煤岩进行模拟仿真分析，获得刨煤机刨刀刨削煤岩的载荷数据，并对刨煤机刨刀进行优化设计。围绕该思路开展的主要研究内容为:
　　(1)通过自行研制的刨煤机实验台和设计的新型刨刀测力系统，对刨煤机刨削煤岩进行实际测试。得到在不同刨刀结构参数、不同工况参数、不同煤岩硬度下刨刀受力测试结果，分析各种因素对刨煤机刨削煤岩力学性能的影响。
　　(2)通过研究刨煤机刨削煤岩的破碎机理，分析影响刨削煤岩过程的主要因素，研究了刨刀主要几何参数和刨煤机工况参数等因素对破碎煤岩的影响。通过分析刨刀刨削力计算方法，对实验数据进行计算，分析刨削力的峰值载荷和载荷谱;
　　(3)针对实验测试所用假煤岩的基本特性，修正了现有的本构模型，研究了本构单元在变形过程中经历的线弹性变形、蠕变、塑性屈服、硬化以及最后脆性崩裂的几个阶段，建立了适用于论文刨削实验所用的煤岩损伤本构模型;
　　(4)应用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了刨削过程的动力学模型，模拟研究了刨煤机刨削煤岩时刨刀的力学特性和相互接触的动应力。得到了不同刨刀结构参数和刨煤机结构参数及工况参数时的刨刀所受三向力载荷变化曲线;解决了刨刀载荷识别问题，为刨刀优化设计提供了计算数据;
　　(5)根据刨煤机刨刀设计要求，结合传统优化设计方法，通过建立刨刀合金刀头力学模型，以刨削能耗和焊缝处应力最小为目标进行优化设计;通过运用刨煤机刨刀刨削煤岩仿真数据，提出了一种基于CAE技术的刨刀优化设计方法。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 刨煤机发展与应用现状

1．1．1 国内刨煤机发展与应用

1．1．2 国外刨煤机发展与应用

1．2 刨煤机研究概述

1．2．1 国外刨煤机理论研究现状

1．2．2 国内刨煤机理论研究现状

1．2．3 虚拟仿真技术在刨煤机设计中的应用

1．2．4 研究中存在问题和发展趋势

1．3 选题意义

1．4 研究内容

2 刨煤机刨刀刨削煤岩实验研究

2．1 刨煤机实验系统描述

2．1．1 刨煤机实验台简介

2．1．2 测试系统

2．1．3 试样准备

2．1．4 实验刨刀结构参数

2．1．5 实验过程

2．2 刨刀刨削煤岩力学特性实验研究

2．2．1 煤岩性质对刨削力影响实验研究

2．2．2 刨煤机工况参数对刨削力影响实验研究

2．2．3 刨刀结构参数对刨削力影响实验研究

2．2．4 刨煤机结构参数对刨削力影响实验研究

2．3 实验结果分析

2．4 本章小结

3 刨煤机刨刀刨削煤岩力学理论研究

3．1 刨削煤岩破碎机理研究

3．1．1 刨刀刨削煤岩破碎过程

3．1．2 影响刨削破碎过程及刨削力的主要因素

3．2 刨刀刨削煤岩力学模型

3．2．1 刨刀刨削煤岩受力分析

3．2．2 刨削力计算方法

3．3 刨刀峰值载荷和载荷谱分析

3．3．1 刨刀承受峰值载荷确定

3．3．2 刨刀载荷谱分析

3．4 本章小结

4 刨煤机刨刀刨削煤岩数值模拟研究

4．1 数值模拟分析过程

4．2 煤岩破坏本构模型建立

4．2．1 煤岩本构关系分析

4．2．2 煤岩体弹脆塑性损伤本构模型描述

4．2．3 弹塑脆性失效判断准则

4．2．4 弹塑脆性本构数值实现

4．2．5 验证实验

4．3 刨刀刨削煤岩有限元模型建立

4．4 刨刀刨削煤岩力学特性数值模拟研究

4．4．1 刨煤机工况参数对刨刀力学特性影响的模拟研究

4．4．2 刨刀结构参数对刨刀力学特性影响的模拟研究

4．4．3 刨煤机结构参数对刨刀力学特性影响的模拟研究

4．5 模拟结果与实验结果对比分析

4．6 刨刀应力数值模拟分析

4．7 本章小结

5 刨煤机刨刀优化设计

5．1 多目标优化理论分析

5．1．1 多目标优化问题数学描述

5．1．2 基于Pareto的多目标优化解集

5．1．3 Pareto支配关系

5．1．4 多目标进化算法的一般步骤

5．2 NSGA-2算法原理及过程

5．2．1 快速非支配排序方法的原理

5．2．2 拥挤度概念

5．2．3 拥挤度比较算子

5．2．4 NSGA-2算法主流程

5．3 刨刀优化设计数学模型

5．3．1 建立目标函数

5．3．2 确定设计变量

5．3．3 建立约束条件

5．3．4 优化实例

5．4 刨刀优化的CAE实现

5．4．1 刨刀结构参数优化

5．4．2 优化仿真

5．5 优化后实验

5．6 本章小结

6 结论与展望

6．1 研究结论与创新点

6．2 研究展望

参考文献

作者简历

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