西安科技大学硕士生学位论文开题报告研究生学号: ********研究生姓名: ***导师姓名: ***学科专业: 机械工程年级: 研2013级院系（部）机械工程学院西安科技大学研究生部制2015年3月13日填写目录1选题背景及目的 (1)1.1选题背景及意义 (1)1.2选题目的 (3)2滚筒采煤机滚筒的发展情况及振动截割技术在煤矿机械中的研究动态 (4)2.1 滚筒采煤机滚筒的发展情况 (4)2.2振动截割技术在煤矿机械上的研究动态 (4)3采煤机振动截割滚筒的研究方案 (8)3.1本课题拟研究内容及研究方法 (8)3.2本课题拟采取的研究技术路线 (9)3.3本课题预期达到的目标 (9)4课题研究过程中可能遇会到的难题 (10)5本课题的进度安排 (10)参考文献 (11)采煤机振动截割滚筒研究1选题背景及目的1.1选题背景及意义现代机械化长壁采煤工作面中，滚筒式采煤机在所有机械化采煤设备中的使用量占到90﹪以上，直接影响着采煤效率和成本。
滚筒式采煤机功能强大种类繁多。
根据滚筒数量，可将滚筒采煤机分为单滚筒采煤机和双滚筒采煤机，双滚筒采煤机可免开缺口，能适应较复杂的顶、底板条件，采高范围大能，能截割硬煤，调高方便，而单滚筒采煤机只用在薄煤层中，如今很少使用[1]；根据牵引方式，滚筒采煤机又可分为有链牵引滚筒采煤机和无链牵引滚筒采煤机，其中无链牵引滚筒采煤机移动平稳、振动小、故障率低、寿命长、可适应大倾角（最大达54°）条件工作、可实现工作面多台同时工作，提高了工作效率，并且可避免断链事故[2]。
随着技术的发展和对大倾角煤层的开采需求，有链牵引滚筒采煤机逐渐被无链牵引滚筒采煤机取代。
因此本文所阐述的滚筒采煤机主要指无链牵引双滚筒采煤机。
现有的滚筒采煤机切削煤层的机理实质是借助采煤机牵引力使滚筒造成对煤壁的挤压力[3]，再使滚筒旋转以实现落煤，与平铣刀铣削工件类似，采用了滚筒平稳铣削煤层的方法。
滚筒采煤机切削煤层的这个过程，可总结为：平稳落煤、装煤、摇臂摆动——反向——推进——平稳落煤、装煤、摇臂摆动。
近几年来，虽然国内能源资源状况略有调整，许多新型能源不断开发利用，加上金融危机的影响，整个煤炭行业处于低迷状态，但煤炭资源作为主体能源的地位将在很长一段时间内不会改变。
滚筒采煤机作为高产高效综合机械化采煤的关键设备，理所当然会随着采煤技术及当代社会对低能耗、高效率、高产量的需求而不断革新和发展。
滚筒是采煤机截割部的关键部件，其承担着落煤、装煤及喷雾降尘等任务，消耗的功率占约整个采煤机功率的80﹪～90﹪[4]。
其结构性能的优劣与采煤机的生产能力、比能耗、工作时的负载状况、截齿的受力情况、块煤率、粉尘量等重要性能指标密切相关。
通过查阅文献可见，前人在采煤机截割滚筒的研究方面已经取得了许多成果[5-14]，这为寻求滚筒零部件更适合实际工况的结构尺寸、材料类型、零部件加工工艺及改善采煤机截割部的截割性能起到了关键作用。
然而，纵观国内外的研究会发现，尽管许多科研人员为提高采煤机截割性能和寿命做了诸多研究，但现代机械化连续采煤中还是存在许多不足之处，特别是针对较难开采的煤层（如薄煤层、大倾角煤层、夹矸煤层、小断煤层、极硬质煤层），这些缺陷越发明显。
具体表现如下：1）截齿的磨损严重。
在实际采煤工作中，特别是在开采硬质煤层或夹矸煤层时，截齿切削煤层过程中，由于截齿与煤岩的摩擦，其局部温度上升很快，使其极易磨损（尽管截齿可以在齿座中旋转而自锐）失效。
虽然研究人员不断地设计新型高耐磨性截齿，但采掘那些难开采煤层时，改善效果依然不明显。
2）截齿受载荷较大。
现在的采煤机理，大多都是依靠滚筒上截齿对煤岩的挤压，使煤层局部崩裂而落，在煤层产生裂纹之前，截齿上的载荷会急剧增加（经磨钝了的截齿表现尤为明显），而一旦裂纹产生，煤层会迅速崩溃，截齿上的载荷又会突然降低，这相当于对截齿施加了周期性的阶跃载荷，很容易引起截齿的疲劳断裂和磨损。
3）能耗比高。
近年来，国内外的采煤机都在向大机型大功率方向发展，虽然实践证明，机重和功率越大，生产效率可相对提高，但能耗比也在不断增大。
4）煤块率低。
现有滚筒式采煤机利用平稳切削方式落煤，此方法很好地发挥了截齿剪切力作用，利用了煤抗剪切力低，易于剪切破碎的特点，但是，当单个截齿与煤壁作用时，由于截齿切入煤壁深度浅，同时截齿速度方向始终与新切削煤壁相切，所以破碎角小[15]，能量损耗相对较多，其落下来的煤块就很小。
5）粉尘量大。
近几年来，社会不断提倡人性化生产，注重环境保护，而平稳切削采煤过程，因破碎煤块小，会产生大量的粉尘，尽管滚筒上设有喷雾灭尘系统，但连续机械化采煤时，粉尘量还是相当大，这对工人的身体健康危害很严重。
此外，随着煤粉尘量的不断累积，达到一定浓度后就会为井下安全生产带来隐患。
为了延长矿井的服务年限，提高资源的回收率，对那些较难开采的煤层（如薄煤层、大倾角煤层、夹矸煤层、小断煤层、极硬质煤层等，在许多矿井中煤的赋存量约占该矿井总煤炭储量的20%左右[16]）的开采利用日益重要。
开采这些煤层时，采煤机将面临更大挑战，滚筒截割切削的将不是单纯的煤，而更多的是硬质煤或夹煤矸石。
滚筒采煤机是现代长壁工作面采煤技术中关键设备，在相当长一段时间内还无法被其他类型采煤机完全替代，而对于现有滚筒采煤机，如何通过改进技术从而提高难开采煤层煤块率、减少粉尘量、降低比能耗、改善截齿的受载情况从而提高其使用寿命，乃至为煤炭生产企业提高经济效益，将是现代滚筒采煤机的设计研发工作中面临重要课题。
为了解决现有滚筒采煤机的缺陷，查阅资料发现，许多国内外研究学者在不断研究新型采煤技术以替代平稳切削技术，煤岩冲击破碎技术研究较多，比如，落锤对煤岩撞击破碎作用、圆柱杆件的冲击作用及冲击波的传播、抛射体对岩石类材料的撞击作用、高压水射流的冲击破碎作用、冲击凿岩机对煤岩的冲击扭转作用以及其他形状器具的冲击研究等[15]。
而对煤岩冲击破碎研究中比较有名的是惯性冲击振动切割技术，该技术在上世纪末，在我国与前苏联的合作下已经成功应用于ELMB 75C、120C掘进机上，因为振动截割是在主扭矩上叠加了一个按正弦规律变化的附加扭矩，截割过程实现变力冲击截割，更容易破碎煤岩，从而使掘进机比能耗降低了20﹪～30﹪、提高了截齿寿命及降低粉尘量[17]。
振动截割技术是一种高效节能的先进技术[18]，其实质就是将瞬态载荷施加在煤岩中，产生的应力脉冲作用于煤岩的裂缝中，引起裂纹的高速扩展、分叉，乃至破碎。
此外此技术改善了截齿受力情况，振动的截齿使截槽断面变宽，从而降低截齿侧面所受的粘附力和摩擦力。
毋庸置疑，将此技术应用到滚筒采煤机上，将会解决其当前面临的一些缺陷，所以，研究采煤机振动截割滚筒具有重要意义。
鉴于此，本文通过研究滚筒采煤机惯性冲击振动切割技术来解决现有滚筒采煤机遇到的技术难题，为难开采煤层采煤机的设计提供理论依据。
1.2选题目的选择采煤机振动截割滚筒的研究为题的主要目的：1）对采煤机振动截割滚筒振动器的工作原理进行分析阐述，说明其扭振机理，指出其减小截割阻力和降低比能耗的原因，为采煤机振动截割滚筒能够在井下工作面中有效工作提供理论支持；2) 建立采煤机振动截割滚筒的动力学模型，对截割滚筒振动器进行动力学分析，为采煤机振动截割滚筒的研制提供参考；3）改变振动器的偏心距和质量等相关参数，寻求提高振动器工作性能（减小截割阻力）的适宜参数，拟合出其相关参数与截割力之间的定量关系，为振动截割滚筒采煤机振动器的设计提供理论依据。
2滚筒采煤机滚筒的发展情况及振动截割技术在煤矿机械中的研究动态2.1 滚筒采煤机滚筒的发展情况六十年代，欧洲一些国家研制出了可调节截割滚筒高度的滚筒采煤机，与此同时，还研制出了螺旋叶片式截割滚筒，替代了以前的圆筒形截割滚筒，大幅度提升了滚筒的装煤能力[19]。
1995年，土耳其学者O.Z. Hekimoglu[5]对滚筒上不同位置处截齿进行了受力分析，指出端盘截齿较叶片截齿受力大，且磨损较快，并指出了径向截齿采掘硬煤的弊端。
2003年，美国学者Rizwan A. Qayyum[7]通过改变截齿的类型进行截割试验，研究了滚筒截割比能耗、可呼吸性粉尘量、滚筒载荷与截齿的关系。
2005年，土耳其学者E.Mustafa Eyyuboglu和Naci Bolukbasi[8]通过改变滚筒上截齿排列以研究其对其截割性能的影响，并阐述了截齿周向角度的布置对截割载荷影响不大。
上世纪70年代，国内比较先进的煤炭企业主要依靠进口采煤机进行煤炭生产，技术人员通过对进口采煤机拆装分析和研究，探索研究采煤机滚筒设计理论，对采煤机的研究处于引进——消化——仿制阶段[20]。
改革开放以来，国家对采煤机技术高度重视，高校、煤研所及煤炭企业对采煤机技术研究大力投入，在对其理论分析研究的同时，再利用计算机辅助设计技术对其设计研制，使得采煤机滚筒得到了快速发展。
2.2振动截割技术在煤矿机械上的研究动态80年代初，澳大利亚学者Gottlieb[21]进行了单齿模拟振动截割褐煤的试验，其主要研究施加振动后切削阻力的变化情况，结果表明，振动切削阻力大幅度的降低，比能耗降低，且基于此技术的挖掘装载机在露天采矿中被大力提倡。
90年代初，俄罗斯图拉工学中央矿山掘进机研究设计院开始研制惯性冲击式掘进机[22]，在已有的悬臂掘进机上安装液压马达独立驱动的振动器，工作中开启马达，可将周期性简谐变化的扭矩叠加到掘进机截割头上，使其得到切向附加冲击波动力。
现场试验表明其可明显提高破岩能力和生产率，降低比能耗的同时运行平稳，当f约为7～8时，比耗能降低了1/3；当f约为6～7时，主电机功率平均减小25%～30%，工作机构扭矩减小20%～25%。
在半煤岩巷道中，生产率提高30%～40%，在煤巷(f<4)中，生产率提高30%～50%。
煤巷掘进机一般只能用于f<6，加激振器后能用于 f ≤8[17]。
同一时期，德国博马德·扎尔茨基特公司研制了带有两个振动器的振动滚刀掘进机切割头[23]。
2004年，日本爱媛大学T.Muro[24]等人对振动切削岩石进行了试验研究，探讨了振动的频率、振幅、切削速度以及振动的波形对最大切削阻力的影响。
指出振动时的水平切削阻力明显下降，正弦波振动时的能量消耗要比三角波振动时的能量消耗低。
1996年，中国矿业大学北京研究生部的荆元昌教授[25]在自行设计建立的实验室振动截割试验台上，针对大同煤田的硬煤，以单截齿与煤样在相对振动的情况下模拟实际采煤过程，利用相似理论建立了试验模型，然后采用正交试验法对模型采取优化试验。
通过改变振动频率、振动振幅、振动波形、截割对象、截割截距以及振动与截割的相对方向、截割与层理的相对方向来研究各参数对实际主截割力及单位能耗的影响。