煤巖特性對掘進機截割頭載荷的影響分析

李媛媛,王海艷,朱青青,董麗,鐘佩思

(1.青島黃海學(xué)院 機電工程學(xué)院,山東 青島　266427；2.山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，山東 青島　266590)

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煤巖特性對掘進機截割頭載荷的影響分析

李媛媛1,王海艷1,朱青青1,董麗1,鐘佩思2

(1.青島黃海學(xué)院 機電工程學(xué)院,山東 青島266427；2.山東科技大學(xué) 機械電子工程學(xué)院，山東 青島266590)

針對煤巖條件對掘進機截割頭載荷的影響問題，提出采用有限元仿真方法對截割頭截割過程進行動態(tài)仿真分析。以煤巖普氏系數(shù)為煤巖特性參數(shù)，經(jīng)仿真得到不同煤巖條件下的截割頭動態(tài)載荷，通過分析得到了截割頭三向力隨煤巖普氏系數(shù)的變化規(guī)律，即截割頭載荷隨煤巖普氏系數(shù)的增加而增大，且當煤巖的普氏系數(shù)增大到一定程度時，截割頭的牽引阻力將成為截割頭的最大載荷，而側(cè)向力一直處于較低的水平。

掘進機；截割頭；煤巖特性；載荷分析；普氏系數(shù)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.1016.016.html

0　引言

在機械化掘進過程中有許多因素都會影響掘進機的性能，主要包括煤巖的物理性質(zhì)和掘進機本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)。截割頭作為掘進機直接作用于煤巖的工作機構(gòu)，因工作環(huán)境惡劣，截齒磨損、合金刀頭脫落甚至截齒折斷或丟失等失效形式經(jīng)常發(fā)生，在一些掘進工作面還會出現(xiàn)截割硬度不適應(yīng)的現(xiàn)象，導(dǎo)致截齒不能合理利用[1]。

有關(guān)掘進機破巖方面的研究大多集中于碎巖效果的分析及掘進機械本身結(jié)構(gòu)方面。陳文莉等[2]以破碎的巖片為研究對象，分析了不同掘進機械作用下巖片的粒度及分布規(guī)律；宋克志等[3]通過概率統(tǒng)計理論方法對巖碴尺寸及粒徑分布進行了研究，掌握了巖石特性和機械參數(shù)對其分布規(guī)律的影響；H.Copur[4]等通過研究證明了在最佳切削條件下截割比能耗與巖石單軸抗壓強度和抗拉強度密切相關(guān)；K.Serhat[5]研究發(fā)現(xiàn)巖石的特性對截割頭瞬時截割率及截割比能耗具有重要影響；N.Bilgin[6]等對傾斜工作面的隧道掘進進行了研究，分析了一些地質(zhì)和煤巖條件對掘進機截割性能的影響。然而，國內(nèi)的研究者對于煤巖條件對截割頭的載荷影響沒有進行系統(tǒng)的闡述，國外研究者大多采用實地試驗的方法進行研究，但受截割頭工作環(huán)境及國內(nèi)煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜等因素制約，在國內(nèi)進行試驗的難度較大[7]。在不同條件的煤巖掘進工作面，如何選取合適型號的掘進機械是煤炭開采領(lǐng)域亟需解決的問題。本文針對煤巖條件對截割頭載荷的影響，選用普氏系數(shù)作為煤巖特性的定量表征，采用動力學(xué)仿真方法對截割頭破巖過程進行研究，并對煤巖特性對掘進機截割頭載荷的影響程度進行比較分析。

1　截割頭載荷計算

1.1截齒受力計算

對于截齒切削巖石，常采用載荷計算公式[1]：

(1)

式中：Pzi，Pyi，Pxi分別為截割頭上第i個截齒上的截割阻力、牽引阻力、側(cè)向力；p為巖石的接觸強度；kT為截齒類型系數(shù)；kg為截齒幾何形狀系數(shù)；ky′為刀桿頭部形狀系數(shù)；t為平均截線距；h為平均切削厚度；S為截齒后刃面在牽引方向的投影面積；C1，C2，C3為切屑影響系數(shù)。

式(1)中除p外，其余參數(shù)值均可按照參考文獻[1]選取。巖石的接觸強度p與巖石的普氏系數(shù)f存在一定的對應(yīng)關(guān)系，見表1。

表1　p與f的對應(yīng)關(guān)系

根據(jù)式(1)及表1，可繪制截齒所受的截割阻力、牽引阻力、側(cè)向力與普氏系數(shù)f的關(guān)系曲線，如圖1所示?？煽闯鼋佚X的截割阻力、側(cè)向力與普氏系數(shù)呈線性相關(guān)，隨著煤巖普氏系數(shù)的增大，截割阻力和側(cè)向力變大；截齒的牽引阻力隨普氏系數(shù)的增大呈指數(shù)形式增長。

圖1　截齒截割阻力、牽引阻力和側(cè)向力與普氏系數(shù)的關(guān)系

1.2截割頭載荷計算

根據(jù)單個截齒的受力計算，將截割頭任意時刻參與截割的各截齒受力合成，可求得截割頭所受載荷的理論值。

由于實際截割頭模型較復(fù)雜，為便于分析，建立以截割頭的回轉(zhuǎn)中心軸為c軸的坐標系，得到如圖2所示的截割頭受力示意。ω為截割頭轉(zhuǎn)速；vs，vt分別為截割頭鉆進和進給速度。

截割頭在3個坐標軸方向所受的合力分別為

(2)

圖2　截割頭受力示意

式中：n為該時刻參與截割的截齒數(shù)；φi為第i個截齒的位置角。

從式(1)、式(2)可看出，煤巖特性對截割頭的載荷有影響。由于截割頭載荷是動態(tài)變化的，理論公式無法全面、真實地反映截割頭工作過程中截割頭的受力情況，所以本文在傳統(tǒng)理論分析基礎(chǔ)上，提出采用有限元仿真方法對截割過程進行動力學(xué)仿真，以獲取截割頭截割煤巖過程中的動態(tài)載荷，并在此基礎(chǔ)上對不同煤巖特性下截割頭載荷進行研究。

2　截割過程有限元仿真

2.1材料參數(shù)的定義

煤巖的單軸抗壓強度fc與普氏系數(shù)f的關(guān)系：

(3)

煤巖的彈性模量Ec與單軸抗壓強度fc的關(guān)系[8]：

(4)

式中ρ0為煤巖破壞前的密度。

由彈性理論可知，煤巖的剪切模量G與彈性模量Ec滿足關(guān)系：

(5)

式中υ為材料的泊松比。

由式(3)—式(5)可知，煤巖的剪切模量G與普氏系數(shù)f的關(guān)系：

(6)

對于截割頭的材料參數(shù)，綜合考慮仿真時間及截割接觸的力學(xué)行為，分析過程中將截割頭整體作為一個剛性體，材料參數(shù)選取直接參與截割的合金刀頭的參數(shù)，材料參數(shù)見表2。

2.2截割頭截割有限元建模

截割頭的主要參數(shù)包括截割頭的長度、直徑、錐角、螺旋葉片的頭數(shù)與截齒數(shù)量等。掘進機截割頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)見表3，本文根據(jù)該組參數(shù)建立截割頭的有限元模型。煤巖模型采用有限體積的長方體代替，在其不被截割表面添加無反射邊界條件，可以模擬無限大體積的煤巖，分析過程中煤巖和截割頭均選用SOLID164單元。

表2　材料參數(shù)

表3　掘進機截割頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)

采用智能自由網(wǎng)格劃分方法對截割頭進行網(wǎng)格劃分，因煤巖模型形狀簡單，采用掃掠網(wǎng)格劃分方式。劃分完網(wǎng)格后，定義截割頭和煤巖為2個PART，設(shè)定它們之間的接觸類型為面與面接觸中的侵蝕接觸。建立的截割頭截割有限元模型如圖3所示。

圖3　截割頭截割有限元模型

2.3加載、約束及求解

針對截割頭截割有限元模型，設(shè)定截割頭轉(zhuǎn)速為36 r/min，橫切速度為1.5 m/min，限制截割頭的其他自由度。根據(jù)截割頭截割煤巖的速度及自身轉(zhuǎn)速，設(shè)定求解時間為10 s。選擇合理的質(zhì)量縮放因子，時間步長因子為0.9。輸出模型關(guān)鍵字k文件，在k文件中修改煤巖的材料模型，并設(shè)定相應(yīng)的破壞參數(shù)MAT_ADD_EROSION為剪應(yīng)變值0.03。完成所有操作后提交求解。

為了分析不同煤巖特性下掘進機截割頭的截割載荷規(guī)律，分別取普氏系數(shù)f=3-8的煤巖材料進行仿真，以獲得不同煤巖特性下截齒和截割頭的載荷特性。

3　煤巖特性對截割頭載荷的影響分析

為了獲取不同煤巖特性下截割頭的三向力變化規(guī)律，統(tǒng)計普氏系數(shù)f=3-8時截割頭受到的三向力最大值及平均值，得到不同普氏系數(shù)下截割頭截割煤巖載荷統(tǒng)計值，見表4?？煽闯霾煌帐舷禂?shù)下截割頭受到的截割阻力和牽引阻力的最大值及平均值都比側(cè)向力大很多；隨著普氏系數(shù)的增加，三向力也呈現(xiàn)增大趨勢。根據(jù)表4數(shù)據(jù)繪制截割頭三向力最大值及平均值與普氏系數(shù)f的關(guān)系曲線，如圖4、圖5所示。

表4　截割頭截割煤巖載荷統(tǒng)計值

從圖4、圖5可看出，截割頭三向力最大值的變化規(guī)律與理論上單個截齒受力的變化規(guī)律一致，但相關(guān)性不如單個截齒的變化規(guī)律明顯；截割頭三向力平均值隨普氏系數(shù)的增大而線性增大。分析可知，隨著煤巖堅固性的增強，截割難度增大，截割頭的載荷顯著增加，但三向力增加的速率不同，當煤巖的普氏系數(shù)增大到一定程度時，截割頭的牽引阻力將成為截割頭的最大載荷，而側(cè)向力一直處于較低的水平。因此，在破碎較硬的巖石時，在保證截齒性能的前提下，應(yīng)增大截割頭的截割功率來保證截割效率。

圖4　截割頭三向力最大值與普氏系數(shù)f的關(guān)系

圖5　截割頭三向力平均值與普氏系數(shù)f的關(guān)系

4　結(jié)語

采用數(shù)值模擬方法對煤巖截割過程中截割頭的載荷進行了分析，得出其隨煤巖特性的變化規(guī)律：截割頭載荷隨煤巖普氏系數(shù)的增加而增大，且當煤巖的普氏系數(shù)增大到一定程度時，截割頭的牽引阻力將成為截割頭的最大載荷，而側(cè)向力一直處于較低的水平。

針對不同的煤巖地質(zhì)條件，應(yīng)設(shè)定相應(yīng)的煤巖參數(shù)進行截割仿真試驗，以精確獲取截割頭載荷，為不同地質(zhì)條件下掘進機截割頭的選型提供依據(jù)。

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Influence analysis of coal and rock properties on roadheader cutting head load

LI Yuanyuan1,WANG Haiyan1,ZHU Qingqing1,DONG Li1,ZHONG Peisi2

(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Qingdao Huanghai University,Qingdao 266427, China; 2.School of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China)

For influence of coal and rock conditions on roadheader cutting head load,finite element simulation method was proposed to simulate dynamic cutting process of cutting head.Dynamic cutting loads were gotten under different coal and rock conditions by taking firmness coefficient as coal and rock property parameter,and relationship between three-axis force of cutting head and firmness coefficient was derived.The analysis results show that cutting head load increases along with increasing of firmness coefficient,and traction resistance of cutting head is the largest load when firmness coefficient of coal and rock increases to a certain value,while side resistance is always at a low level.

roadheader; cutting head; coal and rock property; load analysis; firmness coefficient

1671-251X(2016)10-0026-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.006

李媛媛,王海艷,朱青青,等.煤巖特性對掘進機截割頭載荷的影響分析[J].工礦自動化，2016,42(10)：26-29.

2016-04-21；

2016-08-20；責(zé)任編輯：李明。

山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2015EM042)。

李媛媛(1979-)，女，山東萊州人，副教授，碩士，主要從事機械設(shè)計制造與仿真研究方面的工作，E-mail:liyuanyuan0908@163.com。

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A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-09-30 10:16