鎬型截齒載荷譜定量特征的旋轉(zhuǎn)截割實驗與仿真

劉春生， 王慶華， 任春平

(黑龍江科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，哈爾濱150022)

0 引 言

鎬型截齒是采煤機及掘進機廣泛使用的截齒。其性能直接影響截齒截割的效率和煤炭的生產(chǎn)效率［1］。截齒截割截齒是一個受多因素影響的動態(tài)過程，截齒截割阻力譜蘊涵著煤巖破碎機理的重要信息，其峰值的變化反映相應(yīng)煤巖剝離的過程，峰值的大小與截割煤巖塊度的大小存在相關(guān)性［2－3］。李曉豁［4］在實驗室對刀型截齒進行了研究，得出在典型工況下截割載荷譜及其變化規(guī)律，其研究結(jié)果為分析刀型截齒的截割性能提供了參考依據(jù)。王洪英［5］通過單齒平面截割實驗，對比分析了刀型和鎬型截齒的截割阻力譜，得出在相同截割條件下，鎬型截齒綜合性能優(yōu)于刀型截齒。目前，針對刀型和鎬型截齒的相關(guān)研究均是基于平面截割或數(shù)值模擬，由于采煤機井下工作環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場進行載荷測定困難，筆者采用自行研制的多截齒參數(shù)可調(diào)式旋轉(zhuǎn)截割實驗臺研究鎬形截齒在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下截割煤巖的過程，以期更真實地模擬采煤機在實際工況下截齒的受力狀態(tài)。

1 仿真實驗

1.1 仿真模型

模型主要包括鎬型截齒和煤巖兩部分。將Pro/E 5.0 中所建立鎬型截齒的三維實體模型，導(dǎo)入ABAQUS 中。鎬型截齒的尺寸參數(shù)與實驗截齒尺寸一致。齒身長160 mm，合金頭長14 mm，大端直徑50 mm，齒體直徑30 mm，錐角75°。在Part 部件模塊中將截齒切分，在Property 屬性模塊中分別定義齒身和合金頭的材料屬性。齒身材料采用硬質(zhì)合金鋼42CrMo，密度為7 800 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。合金頭材料采用鎢鋼YG11C，密度為14 600 kg/m3，彈性模量為620 GPa，泊松比為0.22。煤巖寬220 mm，厚δ 150 mm，高200 mm。煤巖的密度為1 350 kg/m3，彈性模量為1.2 GPa，泊松比為0.3。

煤巖采用剪切損傷模型和Drucker －Prager 模型，在Assembly 裝配模塊中將部件導(dǎo)入，對模型相對位置進行定位，保證截齒的切向安裝角為45°，二次旋轉(zhuǎn)角為0°。在Load 載荷模塊中設(shè)置固定煤巖的邊界條件，定義截齒的自由度。在Mesh 模塊中對模型進行網(wǎng)格劃分，生成有限元模型，如圖1 所示。

圖1 截齒和煤巖有限元模型Fig．1 Finite element model of pick and coal

1.2 仿真結(jié)果

為減少重復(fù)模擬，旋轉(zhuǎn)截割實驗中煤壁與仿真所用煤壁的相似比為10 ∶1［6－11］。滾筒轉(zhuǎn)速為40.8 r/min，牽引速度分別為0.6、0.8 和1．0 m/min。在Step 分析步模塊中建立0.045 s 的顯式分析步，設(shè)置相應(yīng)的場變量和歷程變量。在ABAQUS/Explicit 求解器中完成鎬型截齒截割煤巖的仿真。截齒截割煤巖過程中的應(yīng)力云圖，如圖2 所示。提取ODB 結(jié)果文件，讀取并分析數(shù)據(jù)，運用MATLAB 軟件得到三向載荷譜即軸向載荷FZ、徑向載荷FJ和側(cè)向載荷FC，如圖3 所示。

圖2 截割過程中應(yīng)力云圖Fig．2 Stress cloud of pick cutting process

2 旋轉(zhuǎn)截割實驗

2.1 實驗系統(tǒng)

多截齒參數(shù)可調(diào)式旋轉(zhuǎn)截割實驗臺由主傳動臺、扭矩儀測試系統(tǒng)、三軸測力系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、變頻控制系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)及煤壁七部分組成，實驗臺結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。其中主傳動部分包括電動機、減速器、扭矩傳感器、測力裝置、截割裝置。變頻電機功率為55 kW，減速器的傳動比為36，截割裝置可模擬采煤機滾筒轉(zhuǎn)速30～48 r/min，滾筒直徑為1 200～2 000 mm，牽引速度為0.5～2 m/min，切向安裝角為30°～50°，二次旋轉(zhuǎn)角為0°～10°，煤壁由煤粉與硅酸鹽水泥混合制成，煤巖的截割阻抗為200 N/mm，實驗臺實物如圖5 所示。

圖3 不同切削厚度下的載荷譜Fig．3 Load spectrum with different chip thickness

圖4 多截齒參數(shù)可調(diào)式旋轉(zhuǎn)截割實驗臺結(jié)構(gòu)Fig．4 Multi-picks adjustable parameters rotary test-bed structures

圖5 多截齒參數(shù)可調(diào)式旋轉(zhuǎn)截割實驗臺Fig．5 Multi-picks adjustable parameters rotary test-bed

2.2 實驗過程

旋轉(zhuǎn)截割實驗臺，不僅可以對鎬型截齒在旋轉(zhuǎn)姿態(tài)下測試截割的三向載荷力、滾筒工作扭矩及轉(zhuǎn)速，還可以記錄截齒截割煤巖和煤巖破碎的崩落過程。實驗滾筒轉(zhuǎn)速為40.8 r/min，滾筒直徑為1 400 mm，牽引速度為0.6、0.8 和1．0 m/min，切向安裝角為45°，二次旋轉(zhuǎn)角為0°。

鎬型截齒的切向安裝角為45°，牽引速度為0.6、0.8 和1．0 m/min，即截割厚度分別為15、20 和25 mm進行旋轉(zhuǎn)截割實驗，測量在截割阻力、牽引阻力和側(cè)向阻力的作用下，截齒所受的軸向載荷FZ、徑向載荷FJ以及側(cè)向載荷FC。截齒在截割過程中，繞著滾筒軸線旋轉(zhuǎn)的同時，沿著水平方向向前進給運動，截齒的運動軌跡類似于擺線，切削厚度由小變大而后再變小。根據(jù)實驗所用測試結(jié)構(gòu)的尺寸，在截割的過程中，當(dāng)截齒的切削厚度達到最大值時，此時截齒截割阻力Z0為軸向載荷FZ的1.4～1.5 倍，即實驗所測得的軸向載荷FZ可以間接反映截割阻力Z 的大小。

2.3 實驗結(jié)果

圖6 不同切削厚度下的實驗載荷譜Fig．6 Experimental load spectrum with different chip thickness

在切向安裝角α =45°的工況下，以15、20 和25 mm的切削厚度進行截割時，得到旋轉(zhuǎn)截割整個煤壁圓弧過程的實驗載荷譜，如圖6 所示。

從圖6 可以看出，截齒在截割煤巖過程中，由于煤巖中的層理節(jié)理結(jié)構(gòu)和裂隙缺陷的存在，截齒的三向載荷譜均呈現(xiàn)不規(guī)則波動且峰值交替變化，并具有一定的隨機性。側(cè)向載荷呈正負(fù)向波動，這與截齒兩側(cè)煤巖不同時崩落產(chǎn)生側(cè)向力的實際工況相吻合。

3 結(jié)果與分析

3.1 仿真所得載荷譜統(tǒng)計分析

為研究截割煤巖厚度對截齒三向載荷的影響及其相互關(guān)系，對截齒仿真實驗的三向載荷譜進行統(tǒng)計分析，其結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，在仿真中切削厚度為15～25 mm時，隨著切削厚度的增大，截齒截割力和牽引力的幅值明顯增大。切削厚度為15 、20 和25 mm 時，軸向載荷均值分別為1.45 、1.66 和1.82 kN，徑向載荷均值分別為1.18 、1.25 和1.41 kN，最大值在2.21～3.65 kN 之間。側(cè)向載荷的最大值在1.6 kN 左右，但均值在0.3 kN 以下，說明側(cè)向載荷波動的幅值較大，但正負(fù)波動使均值較小。

表1 不同切削厚度下的截齒三向載荷統(tǒng)計值Table 1 Statistics of pick three-axis force with different chip thickness

3.2 實驗所得載荷譜統(tǒng)計分析

對旋轉(zhuǎn)截割實驗載荷譜進行統(tǒng)計分析，研究不同切削厚度對截齒所受三向載荷的影響及其相互關(guān)系，其結(jié)果如表2 所示。

由表2 可知，在旋轉(zhuǎn)截割實驗中，截齒所受的軸向載荷和徑向載荷較大，切削厚度為15、20 和25 mm時，軸向載荷均值分別為1.39、1.54 和1.66 kN，徑向載荷均值分別為1.11、1.19 和1.29 kN，最大值在1.86～2.67 kN 之間。側(cè)向載荷的均值相對較小，但最大值均為1.8 kN 以上;軸向載荷和徑向載荷的均方差均為0.5 左右，側(cè)向載荷的均方差在0.75 左右，說明截齒工作時所受軸向和徑向的載荷波動程度基本相同，側(cè)向載荷波動較為劇烈。

表2 不同切削厚度下的截齒三向載荷統(tǒng)計值Table 2 Statistics of pick three-axis force with different chip thickness

3.3 實驗與仿真對比分析

為分析仿真載荷譜與實驗載荷譜的吻合程度，將二者均值誤差精度進行計算，得到軸向載荷和徑向載荷誤差，如表3 所示。仿真載荷譜與旋轉(zhuǎn)截割實驗的軸向和徑向載荷誤差均在10%以內(nèi)，說明二者載荷譜值具有很好的吻合度，仿真實驗?zāi)軌蛘鎸嵉啬M截齒在截割煤巖時所受的軸向和徑向載荷。

表3 仿真與實驗載荷譜的均值誤差Table 3 Simulated load spectrum and experimental load spectrum error of mean

該實驗要求截齒的二次安裝角為0°，仿真實驗?zāi)芫_地保證，但在旋轉(zhuǎn)截割實驗中，由于齒體與齒座裝配精度的影響，使得在實驗時，二次旋轉(zhuǎn)角不是0°而是一個極小值。隨著切屑厚度的增加，截槽面積增大，截槽形狀及截齒兩側(cè)煤塊崩落對截齒的側(cè)向載荷產(chǎn)生影響，使仿真值與實驗值誤差偏高。

4 結(jié) 論

(1)在所研制的旋轉(zhuǎn)截割實驗臺上獲得不同切削厚度的鎬型截齒所受軸向、徑向和側(cè)向載荷的譜值。實驗結(jié)果表明，截齒的三向載荷波動具有一致性。由于煤巖中的層理節(jié)理結(jié)構(gòu)和裂隙缺陷的存在，三向載荷譜呈現(xiàn)不規(guī)則波動，并且峰值交替變化，具有一定的隨機性。截齒所受的軸向和徑向載荷較大，截齒工作時所受軸向和徑向的載荷波動程度基本相同，側(cè)向載荷波動較為劇烈。

(2)以旋轉(zhuǎn)截割實驗和相似理論為基礎(chǔ)，采用剪切損傷模型和Drucker －Prager 模型，建立了鎬型截齒截割煤巖的有限元模型，通過ABAQUS/Explicit模擬鎬型截齒截割煤巖的動態(tài)過程，得到鎬型截齒截割煤巖時三向載荷譜變化規(guī)律與實驗結(jié)果一致。

(3)仿真與實驗結(jié)果相比較，發(fā)現(xiàn)二者有很好的吻合度，軸向和徑向載荷誤差均在10%以內(nèi)，說明仿真實驗符合實際。但對比發(fā)現(xiàn)側(cè)向載荷的仿真與實驗結(jié)果誤差偏大，原因是仿真模型中能精確地保證截齒二次安裝角為0°，而截齒實際工作時卻不為0°。對仿真進行修正得到結(jié)果可與實際更好地吻合。通過不同切削厚度的截割實驗可以看出，研制的旋轉(zhuǎn)截割實驗臺，能夠真實模擬截齒的實際工作狀態(tài)，并且可以驗證仿真的準(zhǔn)確性，為確定截齒截割煤巖的載荷大小提供了參考依據(jù)。

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