螺旋滾筒截割頂板工況的數(shù)值模擬

王 慧， 張長帥， 賈德禹2， 田 震， 周文潮

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 2.瑞木鎳鈷管理(中冶)有限公司，北京 100028)

薄煤層賦存條件復(fù)雜多變，煤層中多含夾矸、包裹體等煤巖混合界面，截割頂板是經(jīng)常遇到的工況[1-3]，在此復(fù)雜工況下，螺旋滾筒與煤巖相互作用關(guān)系等都會直接或間接地影響采煤機(jī)的截割破碎過程及其動力傳遞規(guī)律[4]，使得采煤機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)難以量化，研究頂板工況的截割過程為開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)且性能優(yōu)良的高效強(qiáng)力截割螺旋滾筒，量體裁衣地進(jìn)行采煤機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了必要的理論基礎(chǔ)，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值[5-6]。

南非學(xué)者Wyk[7]對不同形狀截齒在恒速下截割煤壁的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，對仿真結(jié)果、理論計(jì)算結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，找出了切削深度以及刀具的磨損對截齒受力的影響規(guī)律。于信偉[8]對復(fù)雜煤層條件下連續(xù)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的受力狀態(tài)以及復(fù)雜煤層分布特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，建立了螺旋滾筒的運(yùn)動參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。何景強(qiáng)[9]采用LS-DYNA模擬滾筒截煤過程，獲得不同截齒排列方式下螺旋滾筒受到的載荷。周方躍[10]利用LS-DYNA軟件對新型階梯滾筒進(jìn)行仿真分析，并與傳統(tǒng)采煤機(jī)滾筒進(jìn)行對比，表明其截割性能優(yōu)于傳統(tǒng)采煤機(jī)。

以上學(xué)者都是對截割單一賦存條件下煤層和均勻性質(zhì)煤體的過程進(jìn)行數(shù)值模擬；利用理論公式計(jì)算螺旋滾筒外載荷，這樣人為對各參數(shù)取值會帶來誤差。本文所述方法能將螺旋滾筒截割頂板過程可視化，并且直接得到截割對象由煤到巖變化時(shí)螺旋滾筒的應(yīng)力云圖，為獲取截割過程螺旋滾筒的外載荷提供了新的途徑。

以某新型采煤機(jī)螺旋滾筒為研究對象，利用LS-DYNA對螺旋滾筒截割頂板的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了螺旋滾筒受到的非線性沖擊載荷曲線，并對沖擊載荷作用下截齒及滾筒的動應(yīng)力分布進(jìn)行了研究，分析了不同運(yùn)動參數(shù)下煤巖所受應(yīng)力的變化規(guī)律，研究結(jié)果為采煤機(jī)螺旋滾筒的設(shè)計(jì)及采煤機(jī)的定型生產(chǎn)提供了參考。

1 螺旋滾筒截割頂板的力學(xué)模型

采煤機(jī)截齒的主要工作對象為煤巖體，而在實(shí)際的截割工作中除截割純煤體外，還有可能在截煤時(shí)遇到頂板的狀況。其受力大小及狀態(tài)將發(fā)生改變。圖1為采煤機(jī)滾筒的受力簡圖，滾筒轉(zhuǎn)速為ω，與煤巖接觸的截齒將受到截割阻力Zj、牽引阻力Yj及側(cè)向力Xj，當(dāng)截割介質(zhì)不同時(shí)其受力的計(jì)算公式也將不同。目前，根據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者的截割破碎理論來計(jì)算滾筒瞬時(shí)負(fù)載[11-12]，即式(1)～式(5)。

當(dāng)截齒截煤時(shí)截割阻力和牽引阻力為

(1)

Yj=0.65Zj

(2)

當(dāng)截齒截割巖石時(shí)截割阻力和牽引阻力為

(3)

Yj=2.5Zj(0.15+0.00056PK)/(10hmaxsinθ)0.4

(4)

圖1 截齒的力學(xué)模型

截齒無論截割煤層還是巖石除了受到截割阻力和牽引阻力外，還將受到側(cè)向阻力，其計(jì)算公式為

(5)

式中，Xj為側(cè)向阻力(N)；C1、C2和C3的選取與截齒的排列方式有關(guān)，順序式分別取1.4，0.3，0.15。

2 仿真模型的建立

以某型薄煤層采煤機(jī)滾筒為研究對象，部分設(shè)計(jì)參數(shù)為：滾筒直徑為800 mm，截割深度為600 mm。以某礦16層煤為工程對象，建立被截割厚度為0.7 m巖石的煤巖耦合模型。為縮短仿真時(shí)間，在保證煤巖良好的破碎效果下，將螺旋滾筒的筒轂、螺旋葉片、齒座、端盤等建成一體，截齒由硬質(zhì)合金頭、齒體組成。在Pro/E中分別建立滾筒及煤巖體的三維實(shí)體模型，并將建好的模型進(jìn)行虛擬裝配，然后利用接口將模型導(dǎo)入ANSYS。煤巖耦合模型均采用八節(jié)點(diǎn)SOLID164單元，為了更符合實(shí)際煤層和仿真的需要，煤與夾矸接觸表面需要分區(qū)域劃分。由于螺旋滾筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用四面體自由劃分，控制好網(wǎng)格的疏密，截齒形狀相對螺旋滾筒簡單，為了更好地分析截齒載荷特性和可靠性，要盡量劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格，應(yīng)人為進(jìn)行線切割、連接等操作，采用映射和掃掠的方式對合金頭和齒柄進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分好的有限元模型如圖2所示。

綜合煤巖的破碎特點(diǎn)及本構(gòu)關(guān)系，煤壁模型定義成LS-DYNA中的*MAT-DRUCKE-PRAGER材料模型，材料失效用關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION定義，煤巖參數(shù)準(zhǔn)確與否直接影響著仿真結(jié)果的可靠性，需要對某礦區(qū)煤巖所取得煤礦試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測試，從而得出其煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)和煤巖各項(xiàng)參數(shù)。煤巖體材料參數(shù)如表1所示，螺旋滾筒材料參數(shù)如表2所示。

圖2 有限元模型

材料名稱密度/kg·m-3彈性模量/MPa泊松比μ凝聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗壓強(qiáng)度/MPa堅(jiān)固系數(shù)煤1.32e341120.231.45585.231.9頂板2.40e376700.2011.53842.75.4

表2 螺旋滾筒材料參數(shù)

采用關(guān)鍵字*CNSTRND_TIEBREAK來定義煤壁與頂板巖石的固連失效。對于滾筒的材料類型的選擇，為了研究復(fù)雜煤層賦存條件下滾筒截割性能及其動力傳遞規(guī)律，筒轂、葉片、端盤、齒座、截齒材料類型均為*MAT_ELASTIC彈性體模型；而方頭只起到固定作用，并未參與破煤，因此可選為*MAT_RIGID剛性體材料。合金頭與齒體、齒座與筒轂之間分別利用關(guān)鍵字*CNSTRND_SPOTWELD定義焊點(diǎn)連接。齒座與齒柄通過關(guān)鍵字*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET連接。本次仿真螺旋滾筒需要施加進(jìn)給運(yùn)動和轉(zhuǎn)動(X正向?yàn)檫M(jìn)給方向，沿Z旋轉(zhuǎn)，Y的負(fù)向?yàn)橹亓Ψ较?。按照滾筒轉(zhuǎn)速分別為80 r/min、牽引速度分別為3 m/min對滾筒的有限元模型加載。對接觸和輸出文件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，仿真時(shí)間為2 s，保存成K文件，最后調(diào)入LS-DYNA/SOLVER進(jìn)行求解。

3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

3.1 滾筒載荷的提取與分析

在輸出的二進(jìn)制文件中可查看螺旋滾筒的載荷譜，螺旋滾筒的載荷曲線如圖3所示。由圖3分析可得，從三向力的大小來看，截割阻力(Z向)最大，其次是牽引阻力(X向)，側(cè)向力(Y方向)最小。滾筒Z向切削合力方向與滾筒轉(zhuǎn)動方向相反，滾筒X向截齒合力與牽引方向相反，滾筒的Y向合力在零線上下波動，但其平均值不為零。

圖3 滾筒三向力曲線

利用數(shù)值模擬技術(shù)，得到了不同牽引速度下螺旋滾筒受到的載荷，并基于破煤理論分別將相同工況下計(jì)算所得數(shù)據(jù)與本次仿真所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較以驗(yàn)證本次模擬的正確性，如表3所示，X向載荷最大誤差為8.31%，Y向載荷最大誤差為7.57%，Z載荷最大誤差為5.21%，所有誤差均小于10%在誤差允許范圍內(nèi)，故仿真結(jié)果可靠。

表3 三向力誤差比較

3.2 截齒、齒座及葉片的應(yīng)力分析

由仿真結(jié)果可得截齒的應(yīng)力云圖的剖面圖，如圖4所示，關(guān)注合金頭齒尖的局部區(qū)域，齒體的前刃面、齒柄頭部的軸肩處。整個截割煤巖過程中，截齒的等效應(yīng)力集中在前刀面兩側(cè)、焊縫交界及齒柄頭部的軸肩處，且隨著截割工況改變，截齒受到的應(yīng)力也隨之有明顯變化。圖5為齒體中心線與齒座孔部的中心線相對位移變化，最大偏移量為0.026 mm，這說明齒柄產(chǎn)生彎曲變形量為0.026 mm，其變形量較小，截齒不會因彎曲剛度不夠而折斷。

截割煤巖時(shí)螺旋滾筒的應(yīng)力云圖如圖6所示，應(yīng)力主要集中在截齒齒座根部，并且端盤上齒座受到的應(yīng)力明顯大于葉片上齒座受到應(yīng)力，截割巖石的截齒齒座大于其他工作截齒齒座的應(yīng)力，并且處于工作中的截齒齒座根部的應(yīng)力遠(yuǎn)大于其他部位的應(yīng)力，這是截齒齒座結(jié)構(gòu)所決定的，這說明齒座的薄弱位置在其根部，故齒座根部易造成損傷、破壞斷裂等失效。齒座與葉片應(yīng)力最大單元的時(shí)間歷程曲線，如圖7所示，250072單元是滾筒齒座根部最大應(yīng)力單元，當(dāng)1.12 s時(shí)達(dá)到最大應(yīng)力，為371.79 MPa，小于焊縫強(qiáng)度。處于工作的葉片上每個位置受到的應(yīng)力變化不大，這是由于被截齒截落掉的煤巖隨著滾筒葉片的旋轉(zhuǎn)而運(yùn)動，從而起到裝煤的作用。232371單元是滾筒葉片上的最大應(yīng)力單元，當(dāng)1.25 s時(shí)達(dá)到最大應(yīng)力，為103.56 MPa，未超過材料的許用應(yīng)力。

圖4 截齒應(yīng)力云圖及內(nèi)部剖面圖

圖5 齒體中心線與齒座孔部的中心線相對位移變化

圖6 滾筒的應(yīng)力云圖

4 不同運(yùn)動參數(shù)對煤巖的動力傳遞問題影響分析

滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度的不同匹配，切屑厚度將發(fā)生變化，從而影響到煤巖所受應(yīng)力區(qū)域的大小。選取牽引速度2～6 m/min、滾筒轉(zhuǎn)速分別為60～100 r/min的工況，仿真得到的結(jié)果擬合成曲面，如圖8所示。

圖7 齒座與葉片應(yīng)力最大單元的時(shí)間歷程曲線

圖8 巖石應(yīng)力與運(yùn)動參數(shù)的關(guān)系

在截割過程中，滾筒轉(zhuǎn)速和牽引速度的不同，直接影響著截齒壓碎煤巖石的加速度，進(jìn)而影響煤巖受到的應(yīng)力。隨著牽引速度的增加，截割中巖石最大應(yīng)力值均有不同程度的增加，當(dāng)牽引速度由2 m/min增加到6 m/min時(shí)，螺旋滾筒轉(zhuǎn)速為60 r/min、70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min的巖石應(yīng)力最大值分別增加了6.597%、7.175%、9.280%、8.164%、7.678%，增加幅度先增大隨后逐漸減小，應(yīng)力平均增加了7.778%，這是由于當(dāng)牽引速度增加時(shí)切削厚度也隨之變大，切掉巖石的塊度也會增大，這將導(dǎo)致煤巖所受應(yīng)力增大；隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，截割中的巖石最大應(yīng)力值均有不同程度的減小，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速由60 r/min增加到100 r/min時(shí)，牽引速度為2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min、6 m/min的合金頭應(yīng)力最大值分別減小了7.744%、7.546%、6.166%、4.315%、4.221%，減小幅度逐漸變小，應(yīng)力平均減小了5.998%，這是由于當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速增加時(shí)，截齒截割煤巖石的加速度增加，積聚的彈性能量和脆性增加，但韌度降低，從而抵抗突變能力降低。可見，牽引速度的變化對截割中巖石應(yīng)力的影響較滾筒轉(zhuǎn)速的變化明顯。

如圖9所示，隨著牽引速度的增加，截割中煤體最大應(yīng)力值均有不同程度的增加，當(dāng)牽引速度由2 m/min增加到6 m/min時(shí)，螺旋滾筒轉(zhuǎn)速為60 r/min、70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min的煤體最大應(yīng)力值分別增加了29.37%、34.44%、40.12%、32.54%、30.19%，增加幅度先增大隨后逐漸減小，應(yīng)力平均增加了33.332%，這是由于當(dāng)牽引速度增加時(shí)切削厚度也隨之變大，塊煤率會增大，這將導(dǎo)致煤體所受應(yīng)力增大；隨著滾筒轉(zhuǎn)速的增加，截割中煤體最大應(yīng)力值均有不同程度的減小，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速由60 r/min增加到100 r/min時(shí)，牽引速度為2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min、6 m/min的合金頭應(yīng)力最大值分別減小了17.07%、27.00%、26.31%、20.24%、16.55%，減小幅度先增大又逐漸減小，應(yīng)力平均減小了16.088%，滾筒轉(zhuǎn)速與截齒沖擊煤巖的瞬時(shí)速度成正比，沖擊速度會影響煤巖內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，致使煤巖被截碎。當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速增加時(shí)，截齒截割煤體的加速度增加，積聚的彈性能量和脆性增加，但韌度降低，導(dǎo)致抵抗突變能力降低，使煤體受到的應(yīng)力減小?？梢?，牽引速度的變化對截割中煤體應(yīng)力的影響較滾筒轉(zhuǎn)速的變化明顯。

圖9 煤體應(yīng)力與運(yùn)動參數(shù)的關(guān)系

5 結(jié)論

① 利用ANSYS/LS-DYNA對采煤機(jī)截割頂板的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了螺旋滾筒的工作載荷、螺旋滾筒的應(yīng)力應(yīng)變的時(shí)間歷程曲線，為獲取采煤機(jī)在復(fù)雜煤層工作的外載荷提供了新途徑。

② 當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)速相同時(shí)，牽引速度由2 m/min增加到6 m/min時(shí)，煤巖受到的應(yīng)力增加幅度先增大隨后逐漸減小，巖石與煤體受到的應(yīng)力值分別平均增加了7.778%、33.332%；當(dāng)牽引速度相同時(shí)，滾筒轉(zhuǎn)速由60 r/min增加到100 r/min時(shí)，煤巖受到的應(yīng)力減小幅度逐漸變小，巖石與煤體受到的應(yīng)力值分別平均減小了5.998%、16.088%。通過比較發(fā)現(xiàn)運(yùn)動參數(shù)的改變對煤體應(yīng)力的影響明顯大于巖石的應(yīng)力。