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摘要
螺旋钻具被广泛应用于矿山开采、探索与安全保障等领域，是矿山设备中的重要组成部分。针对钻具最佳截割转速与输送转速不匹配问题，提出新型分离式钻具结构，实现钻头截割转速与钻杆输送转速独立控制，利用离散元数值模拟与力学分析法分别建立钻头截割比能耗与钻杆输送比能耗数学模型，通过多目标优化理论以钻具截割比能耗和输送比能耗之和最小为目标，对钻具截割与输送参数进行协同优化，优化结果表明：钻具截割与输送总装机功率不变条件下，传统钻具截割与输送共用同一个电机具有功率集中优势，钻具在不同工况下均能达到电机额定功率输出，有效提高钻具进给速度增加钻具单位时间的开采效率，而分离式钻具将电机总功率进行拆分，一部分用于钻头截割，一部分用于钻杆输送，两部分相互独立，钻具开采过程中截割电机额定功率输出，而输送电机输出功率根据物料输送需求进行调整，从而导致输送电机一部分功率不能完全发挥处于闲置状态。由于钻具进给速度较低，当钻杆与钻头转动同速时，将会导致钻杆单位时间输送能力高于钻头单位时间截割能力，造成钻杆一部分做工为无效功，造成电机能耗浪费，而分离式钻具能够根据钻头截割能力对钻杆的输送能力进行匹配，避免输送电机做过多无效功从而降低钻具输出比能耗，并随着钻采深度的增加，分离式钻具低输送比能耗优势逐渐体现。通过制作分离式钻具实物模型，利用试验的方法对分离式钻具协同优化性能进行验证，试验结果表明：相同工况下，钻头与钻杆协同优化后拥有更好的开采性能，相比与传统钻具分离式钻具协同优化后进给速度提高了2.98%，截割比能耗降低了5.63%，输送比能耗降低了0.81%。试验验证了分离式钻具协同优化效果的有效性，为钻具绿色开采提供了参考。
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