雙聯(lián)鎬齒截割煤巖力學(xué)特性的數(shù)值模擬

劉春生,　韓　飛,　王慶華

(1.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.江蘇新美星包裝機(jī)械股份有限公司, 江蘇 蘇州 215000)

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雙聯(lián)鎬齒截割煤巖力學(xué)特性的數(shù)值模擬

劉春生1,韓飛1,王慶華2

(1.黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 哈爾濱 150022; 2.江蘇新美星包裝機(jī)械股份有限公司, 江蘇 蘇州 215000)

為探索高效率、低能耗的煤巖截割方法,利用ABAQUS有限元軟件對(duì)雙聯(lián)鎬型截齒旋轉(zhuǎn)截割煤巖的過(guò)程進(jìn)行仿真模擬,分析雙齒同步作用下煤巖的破碎形式,應(yīng)用分形理論評(píng)價(jià)雙齒同步截割煤巖的力學(xué)性能,對(duì)同步截割與順序截割的阻力譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明:雙齒同步作用時(shí),煤巖應(yīng)力間存在協(xié)同效應(yīng),相鄰截槽的裂紋互相交錯(cuò)、疊加影響,有利于煤塊的剝落。在仿真實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),當(dāng)切削厚度一定時(shí),隨著截線距的增大,兩齒的盒維數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律,存在最佳的截線距使比能耗最小。同理,當(dāng)截線距一定時(shí),盒維數(shù)隨著切削厚度的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)。在相同的截割條件下,截齒順序截割比同步截割時(shí),其截割阻力的最大值平均增大12.3%。該研究為高效的采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

雙聯(lián)鎬齒; 截割阻力譜; 截割比能耗; 分形特征; 數(shù)值模擬

0　引　言

滾筒式采煤機(jī)是我國(guó)煤炭機(jī)械化開采的主要設(shè)備,采煤機(jī)依靠滾筒上的截齒破碎煤巖,截齒的截割性能直接影響著煤巖截割的效率和采煤機(jī)整機(jī)的性能。學(xué)者們對(duì)采煤機(jī)截割部工作可靠性的影響、滾筒阻力譜模擬、滾筒截齒排列、截齒失效等方面都取得許多研究成果[1-2]。但是,鎬型截齒破碎煤巖的方式仍然存在能耗大、粉煤多、效率低等問(wèn)題[3]。目前,一些學(xué)者已對(duì)雙刀同步作用破巖的刀間距和截深等問(wèn)題進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。Gong等[4-5]利用離散元的方法在二維空間模擬了單滾刀和雙滾刀的破巖過(guò)程,并對(duì)雙滾刀同步破巖的刀間距進(jìn)行了優(yōu)化。張魁等[6]利用離散元的方法建立雙滾刀破巖的仿真模型,模擬破巖時(shí)裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展的過(guò)程,探討了滾刀破巖的機(jī)理。暨智勇[7]采用UDEC軟件模擬滾刀破巖的全過(guò)程。在不同切深和刀間距的條件下,得到切削比能耗與刀間距的關(guān)系,并對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)和工程數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。譚青等[8]采用顆粒離散元法建立掘進(jìn)機(jī)盤形滾刀破巖仿真模型,采用PFC2D離散元軟件對(duì)不同圍壓和節(jié)理特征的煤巖的破碎形式、比能耗和裂紋數(shù)目進(jìn)行研究,并且對(duì)三者間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了分析。孫建中等[9]采用二維離散元軟件UDEC分別研究了節(jié)理間距、傾角及貫入度對(duì)滾刀破巖的影響。以上學(xué)者們對(duì)雙刀(及多刀)破巖方面的研究,對(duì)截齒破煤研究同樣具有指導(dǎo)意義,然而,采煤機(jī)雙齒同步截割煤巖的研究文獻(xiàn)尚少?；诖?為了探索提高煤巖破碎效率的方法,獲得更高的截割效率,探尋一種更為高效的截齒截割模型,有必要對(duì)鎬型截齒雙齒同步截割煤巖的力學(xué)性能進(jìn)行深入研究。

1　有限元模型的建立

1.1截齒與煤巖的創(chuàng)建

基于相似理論,在ABAQUS中創(chuàng)建仿真模型。仿真模型主要包括鎬型截齒和截割煤巖兩個(gè)部分。仿真模型中截齒的尺寸參數(shù)長(zhǎng)度為155 mm,齒體直徑30 mm,合金頭長(zhǎng)度14 mm,截齒大端直徑50 mm,截齒錐角為85°,煤巖尺寸參數(shù)為長(zhǎng)度220 mm,寬度100 mm,高度228 mm;在Part模塊對(duì)截齒進(jìn)行分區(qū),Property模塊分別定義截齒齒體材料屬性,合金頭材料屬性為YG11C鎢鋼,密度為14 600 kg/m3,泊松比為0.22,彈性模量為610 GPa,齒體材料采用硬質(zhì)合金鋼42CrMo,密度為780 0 kg/m3,泊松比為0.27,彈性模量為210 GPa;煤巖材料密度為140 0 kg/m3,泊松比0.3,彈性模量1.3 GPa[10]。在ABAQUS/CAE中創(chuàng)建截齒和煤巖的有限元模型。

1.2模型的裝配與參數(shù)定義

在Assembly模塊中進(jìn)行部件的裝配,首先將創(chuàng)建的截齒和煤巖部件導(dǎo)入,應(yīng)用約束命令進(jìn)行相對(duì)位置的約束并定位,保證截齒的切向安裝角、截線距和切削厚度等參數(shù)。在Interaction模塊中插入滾筒中心點(diǎn),將其與齒座表面進(jìn)行耦合約束。Load載荷模塊中設(shè)置固定煤巖的邊界條件,只保留截齒截割煤巖的自由面,其他表面完全固定,保留截齒繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由度和沿x、y面平移自由度。設(shè)定截齒的旋轉(zhuǎn)角速度為40.8 r/min,牽引速度分別為0.612、0.816、1.02和1.224 m/min,截線距Sj分別為50 、60、70和80 mm。在Mesh模塊進(jìn)行網(wǎng)格的劃分,設(shè)置截齒和煤巖的單元類型為C3D8R的六面體網(wǎng)格,對(duì)截齒和煤巖接觸部位進(jìn)行網(wǎng)格的加密處理。在Step模塊中建立0.07及0.14 s的顯式分析步,雙齒同步截割和順序式截割的有限元模型如圖1所示。

圖1　雙聯(lián)鎬型截齒截割煤巖的有限元模型

Fig. 1Finite element model of duplex picks rotary cutting coal rock

2　煤巖破粹狀態(tài)分析

2.1截線距對(duì)煤巖破粹狀態(tài)影響

當(dāng)切削厚度一定時(shí),通過(guò)改變截齒的截線距,分析不同工況下雙齒同步作用的破碎煤巖的力學(xué)性能,分析截線距對(duì)截割性能的影響。模擬實(shí)驗(yàn)的切削厚度為15 mm,截線距Sj分別為50 、60 、70 和80 mm,截齒的滾筒轉(zhuǎn)速為40.8 r/min,牽引速度為0.612 m/min,截齒的切向安裝角為45°,二次旋轉(zhuǎn)角為0°。提取截割過(guò)程中煤巖斷面應(yīng)力云圖,結(jié)果如圖2所示。

當(dāng)切削厚度一定時(shí),煤巖破碎形式如圖2所示。當(dāng)截齒的截線距較小時(shí),截齒截割形成的微裂紋大量延伸至相鄰兩截齒的截槽處,兩齒產(chǎn)生應(yīng)力過(guò)度疊加,導(dǎo)致形成的煤巖塊度較小,粉煤量的增多,此時(shí)的截割為過(guò)相關(guān)截割狀態(tài),如圖2a所示;當(dāng)截齒截割過(guò)程所形成的微裂紋剛好與相鄰截齒形成的微裂紋能夠有效連通互相影響,雙齒之間的截割存在協(xié)同效應(yīng),相鄰截齒的裂紋互相交錯(cuò)疊加影響,裂紋相對(duì)發(fā)展使應(yīng)力重新分布,互相貫通后形成煤塊,這時(shí)截割為定相關(guān)狀態(tài);當(dāng)雙齒的截線距較大時(shí),截齒在截割過(guò)程中形成的微裂紋無(wú)法有效擴(kuò)展到相鄰截齒的截槽處,煤巖主要以和截齒發(fā)生擠壓破壞的形式從煤巖體剝落,無(wú)法形成大塊度煤巖,這種截割狀態(tài)稱為欠相關(guān)狀態(tài),如圖2d所示。

2.2切削厚度對(duì)煤巖破粹狀態(tài)影響

為研究切削厚度對(duì)雙聯(lián)鎬型截齒同步作用截割性能的影響,以不同切削厚度參數(shù)進(jìn)行截割模擬,截齒的截線距為80 mm,切削厚度為15、20、25和30 mm,滾筒轉(zhuǎn)速為40.8 r/min,截齒的切向安裝角為45°,二次旋轉(zhuǎn)角為0°。得到截割過(guò)程中煤巖斷面應(yīng)力云圖和截割阻力譜,結(jié)果如圖3所示。

當(dāng)截線距一定時(shí),如圖3所示。在切削厚度較小的條件下,截割過(guò)程形成的微裂紋無(wú)法有效擴(kuò)展到相鄰截齒的截槽處,截齒作用的煤巖區(qū)域應(yīng)力無(wú)法耦合,此時(shí)的截割為欠相關(guān)截割狀態(tài),如圖3a所示;隨著切削厚度的增大,煤巖形成的微裂紋剛好與相鄰截齒的微裂紋互相連通,這時(shí)截割為定相關(guān)狀態(tài);當(dāng)切削厚度繼續(xù)增大時(shí),截齒作用的煤巖應(yīng)力耦合區(qū)域繼續(xù)增大,使得煤巖塊度較小,粉煤量增多,如圖3d所示。

2.3順序截割煤巖破粹狀態(tài)

為與雙齒同步截割煤巖性能進(jìn)行對(duì)比,進(jìn)行相同條件不同切削厚度的順序截割仿真實(shí)驗(yàn)。截齒的截線距為80 mm,切削厚度為20、25和30 mm,得到截割過(guò)程中煤巖斷面應(yīng)力云圖和截割阻力譜F,結(jié)果如圖4所示。

圖2　不同截線距截割煤巖斷面應(yīng)力云圖Fig. 2　Stress clouds of duplex picks with different picks spacing

圖3　不同切削厚度截割煤巖斷面應(yīng)力云圖

Fig. 3Stress clouds of duplex picks with different cutting thickness

圖4　順序式截割煤巖斷面應(yīng)力云圖

Fig. 4Stress clouds of picks sequential cutting coal and rock fracture

3　雙齒同步作用對(duì)截割性能影響

3.1截割阻力譜的分形特征

分形理論是研究自然界不規(guī)則和復(fù)雜現(xiàn)象的科學(xué)理論和方法,其應(yīng)用領(lǐng)域已涉及到自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域[11]。由于煤巖材料本身是各向異性的,且內(nèi)部有層里、節(jié)里和裂隙的存在,而且鎬齒旋轉(zhuǎn)截割煤巖的過(guò)程其切削厚度又是不斷變化的,這些因素的疊加作用使得截齒的阻力譜呈現(xiàn)非周期的隨機(jī)波動(dòng),阻力譜滿足分形幾何的特征,因此可用分形幾何理論來(lái)研究。

對(duì)于任意的一個(gè)ε>0,Nε[F(t)]表示用來(lái)覆蓋截割阻力譜F(t)所需邊長(zhǎng)為ε的n維盒子的最小數(shù)目,存在極限:

(1)

則Db為截割阻力譜F(t)的盒維數(shù)[12-15]。

分形的維數(shù)即描述截齒截割煤巖消耗能量的大小,截割阻力譜F(t)維數(shù)越大,則其消耗的能量越大,反之則消耗能量越小。

將仿真實(shí)驗(yàn)得到截割阻力譜進(jìn)行歸一化處理,根據(jù)式(1)盒維數(shù)算法,利用Matlab軟件求得實(shí)驗(yàn)截割阻力譜的盒維數(shù)如表1所示,結(jié)果見(jiàn)圖5。

表1不同截線距時(shí)的盒維數(shù)

Table 1Box dimensions of duplex picks with different picks spacing

Sj/mmDbA截齒B截齒501.3251.332601.3011.304701.3201.313801.3381.347

圖5　盒維數(shù)與截線距的關(guān)系

Fig. 5Relationship between box dimensions and picks spacing

由表1和圖5可看出,在仿真實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),當(dāng)切削厚度hmax=15 mm時(shí),隨著截線距的增大,兩齒的盒維數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),二者的擬合值呈下凹形曲線變化,說(shuō)明在雙齒同步作用時(shí)存在最佳的截線距使比能耗最小,且產(chǎn)生的粉煤量少,此時(shí)截線距為58 mm,Sj=3.9hmax。當(dāng)截線距為較小的50 mm時(shí),由于截齒破碎煤巖的微裂紋區(qū)域發(fā)生重疊,使得煤巖破碎程度更加劇烈,產(chǎn)生更多粉煤,比能耗較大;隨著切削厚度的增大,A截齒截割過(guò)程所形成的微裂紋能夠和相鄰的B截齒形成的微裂紋通互相影響,使得兩齒間的煤巖易于崩落,形成較大塊度的煤巖;隨著截線距的增大,A截齒形成的裂紋區(qū)域無(wú)法與B截齒的裂紋區(qū)域相互連通作用,截割狀態(tài)相當(dāng)于單齒截割,反映能耗的盒維數(shù)較大。

為分析切削厚度對(duì)雙齒同步作用時(shí)截割性能的影響,對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的截割阻力譜進(jìn)行歸一化處理,計(jì)算截齒的盒維數(shù),結(jié)果如表2所示。

表2不同切削厚度時(shí)的盒維數(shù)

Table 2Box dimensions of duplex picks with different cutting thickness

對(duì)表中數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖,得到盒維數(shù)Db與切削厚度hmax的關(guān)系,如圖6所示。

圖6　盒維數(shù)與切削厚度的關(guān)系

Fig. 6Relationship between box dimensions and cutting thickness

由表2和圖6可以看出,在雙齒同步作用截割煤巖的情況下,當(dāng)截線距為80 mm時(shí),盒維數(shù)Db和比例系數(shù)R隨著切削厚度的增大呈先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)切削厚度較小時(shí),雙齒同步作用截割煤巖產(chǎn)生的微裂紋沒(méi)有擴(kuò)展到相鄰截齒,截割煤巖區(qū)域并未互相影響,由于切削厚度較小,截割產(chǎn)生的粉煤量也相對(duì)偏多;隨著切削厚度的增大,煤巖產(chǎn)生的微裂紋區(qū)域逐漸增大,A截齒與B截齒的區(qū)域相互影響使煤巖更易于剝落,此時(shí)截割處于定相關(guān)的狀態(tài),存在最佳的切削厚度使兩齒的平均盒維數(shù)最小,當(dāng)截線距Sj=80 mm時(shí),最佳切削厚度hmax=23 mm,此時(shí)Sj=3.5hmax;當(dāng)切削厚度繼續(xù)增大時(shí),截齒截割形成的微裂紋大量延伸至相鄰兩截齒的截槽處,導(dǎo)致形成煤巖的塊度較小,加劇粉煤量的增多。

3.2截割阻力譜的統(tǒng)計(jì)學(xué)特征

為分析雙齒同步截割應(yīng)力耦合作用對(duì)截齒截割性能的影響,對(duì)順序截割與雙齒同步截割截線距為80 mm的八組實(shí)驗(yàn)對(duì)比,將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如表3所示。

表3　截割阻力統(tǒng)計(jì)值

由表3可知,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),當(dāng)截線距為80 mm時(shí),隨著切削厚度增大,同步截割與順序截割的截割阻力的均值、最大值都逐漸增大。同一切削厚度的截割實(shí)驗(yàn),同步截割的A截齒和B截齒的截割阻力均值都較相近,順序截割的截割阻力均值相差相對(duì)較大,由于兩截齒同步作用煤巖時(shí),二者的受力環(huán)境相似;順序截割時(shí),A截齒截割后在煤巖上留下截槽,B截齒隨后截割,二者的受力環(huán)境有所差異,使得兩截齒的受力略有差別。在相同的截割條件下,同步截割的截割阻力均小于順序截割的截割阻力,如A與B截齒順序截割和同步截割時(shí),其截割阻力的最大值分別平均增大12.3%和6.5%。當(dāng)切削厚度為15或30 mm時(shí),差值較小,當(dāng)切削厚度為25 mm時(shí),兩種方式截割的截割阻力均值相差最大,這是因?yàn)楫?dāng)截線距為80 mm時(shí),切削厚度過(guò)小或過(guò)大時(shí),雙齒作用煤巖區(qū)域均不能產(chǎn)生良好的應(yīng)力疊加效果。當(dāng)切削厚度達(dá)到25 mm時(shí),雙齒同步截割使得煤巖產(chǎn)生的微裂紋能互相影響,更利于煤巖的崩落,使得截割阻力下降,破煤的效率更高。

4　結(jié)　論

(1)雙齒同步作用截割煤巖時(shí),煤巖應(yīng)力間存在協(xié)同效應(yīng),相鄰截齒的裂紋互相交錯(cuò)、疊加影響,裂紋相對(duì)發(fā)展會(huì)使應(yīng)力重新分布,有利于煤塊的剝落。

(2)當(dāng)切削厚度一定時(shí),隨著截線距的增大,截齒截割阻力譜的盒維數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì),仿真中切削厚度hmax=15 mm,在截線距約為Sj=58 mm處截割比能耗具有極小值;當(dāng)截線距一定時(shí),盒維數(shù)隨著切削厚度的增大,也呈先減小后增大的趨勢(shì),仿真中截線距Sj=80 mm,在切削厚度約為hmax=23 mm處比能耗存在極小值。

(3)在相同的截割條件下,同步截割的截割阻力均小于順序截割的截割阻力,A與B截齒順序截割和同步截割時(shí),其截割阻力的最大值分別平均增大12.3%和6.5%。合理的匹配截線距和切削厚度可以提高雙齒同步截割的性能。

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(編輯徐巖)

Numerical simulation of mechanical behavior on duplex picks cutting coal

LIUChunsheng1,HANFei1,WANGQinghua2

(1.School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. Jiangsu Newamstar Packaging Machinery Co.Ltd., Suzhou 215000, China)

This paper is prompted by the need to explore the high efficiency and low energy consumption method for cutting coal. This exploration consists of investigating the mechanical properties of duplex point-attack pick synchronously cutting coal; employing ABAQUS，a finite element software to simulate the dynamic process of duplex point-attack pick cutting coal; analyzing the broken form of coal under synchronal action of duplex point-attack pick; and using the fractal theory to analyze the resistance spectrum of synchronous cutting and sequential cutting statistically and thereby evaluating the mechanical properties of duplex point-attack pick synchronously cutting coal. The results show that, the existence of synergistic effect among coal's stress and the interaction of the staggered and additive effects of the adjacent kerf's crack, aided by the synchronal action of duplex point-attack pick, are beneficial to exfoliating lump coal; within the simulating test range, when the cutting thickness is determined, the box dimension of duplex point-attack pick is governed by a law behind a change from an initial decrease to subsequent increases with an increase in line spacing, suggesting the presence of an optimal line spacing producing the minimum specific energy; similarly, the box dimension of duplex point-attack pick tends to decrease first and then increase with an increase in cutting thickness; and under the same cutting conditions, the maximum of cutting resistance of sequence cutting is about 12.3% times greater than that of synchronous cutting, thus allowing the cutting performance of duplex point-attack pick synchronously cutting coal to be improved by a reasonable match between line spacing and cutting thickness. This study may provide a reference basis for the design of high efficiency coal mining machine.

duplex picks; cutting resistance spectrum; specific energy of cutting; fractal characteristic; numerical simulation

2015-08-16

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51274091)

劉春生(1961-),男,山東省牟平人,教授,研究方向:機(jī)械設(shè)計(jì)和液壓傳動(dòng)與控制,E-mail:liu_chunsheng@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.003

TD421.61

2095-7262(2015)05-0476-06

A