双联镐齿截割煤岩力学特性的数值模拟

刘春生,　韩　飞,　王庆华

(1.黑龙江科技大学 机械工程学院, 哈尔滨 150022; 2.江苏新美星包装机械股份有限公司, 江苏 苏州 215000)



双联镐齿截割煤岩力学特性的数值模拟

刘春生1,韩飞1,王庆华2

(1.黑龙江科技大学 机械工程学院, 哈尔滨 150022; 2.江苏新美星包装机械股份有限公司, 江苏 苏州 215000)

为探索高效率、低能耗的煤岩截割方法,利用ABAQUS有限元软件对双联镐型截齿旋转截割煤岩的过程进行仿真模拟,分析双齿同步作用下煤岩的破碎形式,应用分形理论评价双齿同步截割煤岩的力学性能,对同步截割与顺序截割的阻力谱进行统计分析。结果表明:双齿同步作用时,煤岩应力间存在协同效应,相邻截槽的裂纹互相交错、叠加影响,有利于煤块的剥落。在仿真实验范围内,当切削厚度一定时,随着截线距的增大,两齿的盒维数呈现先减小后增大的变化规律,存在最佳的截线距使比能耗最小。同理,当截线距一定时,盒维数随着切削厚度的增大呈先减小后增大的趋势。在相同的截割条件下,截齿顺序截割比同步截割时,其截割阻力的最大值平均增大12.3%。该研究为高效的采煤机工作机构设计提供参考依据。

双联镐齿; 截割阻力谱; 截割比能耗; 分形特征; 数值模拟

0　引　言

滚筒式采煤机是我国煤炭机械化开采的主要设备,采煤机依靠滚筒上的截齿破碎煤岩,截齿的截割性能直接影响着煤岩截割的效率和采煤机整机的性能。学者们对采煤机截割部工作可靠性的影响、滚筒阻力谱模拟、滚筒截齿排列、截齿失效等方面都取得许多研究成果[1-2]。但是,镐型截齿破碎煤岩的方式仍然存在能耗大、粉煤多、效率低等问题[3]。目前,一些学者已对双刀同步作用破岩的刀间距和截深等问题进行理论和实验研究。Gong等[4-5]利用离散元的方法在二维空间模拟了单滚刀和双滚刀的破岩过程,并对双滚刀同步破岩的刀间距进行了优化。张魁等[6]利用离散元的方法建立双滚刀破岩的仿真模型,模拟破岩时裂纹产生和扩展的过程,探讨了滚刀破岩的机理。暨智勇[7]采用UDEC软件模拟滚刀破岩的全过程。在不同切深和刀间距的条件下,得到切削比能耗与刀间距的关系,并对仿真实验和工程数据进行验证。谭青等[8]采用颗粒离散元法建立掘进机盘形滚刀破岩仿真模型,采用PFC2D离散元软件对不同围压和节理特征的煤岩的破碎形式、比能耗和裂纹数目进行研究,并且对三者间的关联性进行了分析。孙建中等[9]采用二维离散元软件UDEC分别研究了节理间距、倾角及贯入度对滚刀破岩的影响。以上学者们对双刀(及多刀)破岩方面的研究,对截齿破煤研究同样具有指导意义,然而,采煤机双齿同步截割煤岩的研究文献尚少。基于此,为了探索提高煤岩破碎效率的方法,获得更高的截割效率,探寻一种更为高效的截齿截割模型,有必要对镐型截齿双齿同步截割煤岩的力学性能进行深入研究。

1　有限元模型的建立

1.1截齿与煤岩的创建

基于相似理论,在ABAQUS中创建仿真模型。仿真模型主要包括镐型截齿和截割煤岩两个部分。仿真模型中截齿的尺寸参数长度为155 mm,齿体直径30 mm,合金头长度14 mm,截齿大端直径50 mm,截齿锥角为85°,煤岩尺寸参数为长度220 mm,宽度100 mm,高度228 mm;在Part模块对截齿进行分区,Property模块分别定义截齿齿体材料属性,合金头材料属性为YG11C钨钢,密度为14 600 kg/m3,泊松比为0.22,弹性模量为610 GPa,齿体材料采用硬质合金钢42CrMo,密度为780 0 kg/m3,泊松比为0.27,弹性模量为210 GPa;煤岩材料密度为140 0 kg/m3,泊松比0.3,弹性模量1.3 GPa[10]。在ABAQUS/CAE中创建截齿和煤岩的有限元模型。

1.2模型的装配与参数定义

在Assembly模块中进行部件的装配,首先将创建的截齿和煤岩部件导入,应用约束命令进行相对位置的约束并定位,保证截齿的切向安装角、截线距和切削厚度等参数。在Interaction模块中插入滚筒中心点,将其与齿座表面进行耦合约束。Load载荷模块中设置固定煤岩的边界条件,只保留截齿截割煤岩的自由面,其他表面完全固定,保留截齿绕z轴转动自由度和沿x、y面平移自由度。设定截齿的旋转角速度为40.8 r/min,牵引速度分别为0.612、0.816、1.02和1.224 m/min,截线距Sj分别为50 、60、70和80 mm。在Mesh模块进行网格的划分,设置截齿和煤岩的单元类型为C3D8R的六面体网格,对截齿和煤岩接触部位进行网格的加密处理。在Step模块中建立0.07及0.14 s的显式分析步,双齿同步截割和顺序式截割的有限元模型如图1所示。

图1　双联镐型截齿截割煤岩的有限元模型

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

2　煤岩破粹状态分析

2.1截线距对煤岩破粹状态影响

当切削厚度一定时,通过改变截齿的截线距,分析不同工况下双齿同步作用的破碎煤岩的力学性能,分析截线距对截割性能的影响。模拟实验的切削厚度为15 mm,截线距Sj分别为50 、60 、70 和80 mm,截齿的滚筒转速为40.8 r/min,牵引速度为0.612 m/min,截齿的切向安装角为45°,二次旋转角为0°。提取截割过程中煤岩断面应力云图,结果如图2所示。

当切削厚度一定时,煤岩破碎形式如图2所示。当截齿的截线距较小时,截齿截割形成的微裂纹大量延伸至相邻两截齿的截槽处,两齿产生应力过度叠加,导致形成的煤岩块度较小,粉煤量的增多,此时的截割为过相关截割状态,如图2a所示;当截齿截割过程所形成的微裂纹刚好与相邻截齿形成的微裂纹能够有效连通互相影响,双齿之间的截割存在协同效应,相邻截齿的裂纹互相交错叠加影响,裂纹相对发展使应力重新分布,互相贯通后形成煤块,这时截割为定相关状态;当双齿的截线距较大时,截齿在截割过程中形成的微裂纹无法有效扩展到相邻截齿的截槽处,煤岩主要以和截齿发生挤压破坏的形式从煤岩体剥落,无法形成大块度煤岩,这种截割状态称为欠相关状态,如图2d所示。

2.2切削厚度对煤岩破粹状态影响

为研究切削厚度对双联镐型截齿同步作用截割性能的影响,以不同切削厚度参数进行截割模拟,截齿的截线距为80 mm,切削厚度为15、20、25和30 mm,滚筒转速为40.8 r/min,截齿的切向安装角为45°,二次旋转角为0°。得到截割过程中煤岩断面应力云图和截割阻力谱,结果如图3所示。

当截线距一定时,如图3所示。在切削厚度较小的条件下,截割过程形成的微裂纹无法有效扩展到相邻截齿的截槽处,截齿作用的煤岩区域应力无法耦合,此时的截割为欠相关截割状态,如图3a所示;随着切削厚度的增大,煤岩形成的微裂纹刚好与相邻截齿的微裂纹互相连通,这时截割为定相关状态;当切削厚度继续增大时,截齿作用的煤岩应力耦合区域继续增大,使得煤岩块度较小,粉煤量增多,如图3d所示。

2.3顺序截割煤岩破粹状态

为与双齿同步截割煤岩性能进行对比,进行相同条件不同切削厚度的顺序截割仿真实验。截齿的截线距为80 mm,切削厚度为20、25和30 mm,得到截割过程中煤岩断面应力云图和截割阻力谱F,结果如图4所示。

图2　不同截线距截割煤岩断面应力云图Fig. 2　Stress clouds of duplex picks with different picks spacing

图3　不同切削厚度截割煤岩断面应力云图

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

图4　顺序式截割煤岩断面应力云图

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

3　双齿同步作用对截割性能影响

3.1截割阻力谱的分形特征

分形理论是研究自然界不规则和复杂现象的科学理论和方法,其应用领域已涉及到自然科学和社会科学的各个领域[11]。由于煤岩材料本身是各向异性的,且内部有层里、节里和裂隙的存在,而且镐齿旋转截割煤岩的过程其切削厚度又是不断变化的,这些因素的叠加作用使得截齿的阻力谱呈现非周期的随机波动,阻力谱满足分形几何的特征,因此可用分形几何理论来研究。

对于任意的一个ε>0,Nε[F(t)]表示用来覆盖截割阻力谱F(t)所需边长为ε的n维盒子的最小数目,存在极限:

(1)

则Db为截割阻力谱F(t)的盒维数[12-15]。

分形的维数即描述截齿截割煤岩消耗能量的大小,截割阻力谱F(t)维数越大,则其消耗的能量越大,反之则消耗能量越小。

将仿真实验得到截割阻力谱进行归一化处理,根据式(1)盒维数算法,利用Matlab软件求得实验截割阻力谱的盒维数如表1所示,结果见图5。

表1不同截线距时的盒维数

Table 1Box dimensions of duplex picks with different picks spacing

Sj/mmDbA截齿B截齿501.3251.332601.3011.304701.3201.313801.3381.347

图5　盒维数与截线距的关系

Fig. 5Relationship between box dimensions and picks spacing

由表1和图5可看出,在仿真实验范围内,当切削厚度hmax=15 mm时,随着截线距的增大,两齿的盒维数呈现先减小后增大的趋势,二者的拟合值呈下凹形曲线变化,说明在双齿同步作用时存在最佳的截线距使比能耗最小,且产生的粉煤量少,此时截线距为58 mm,Sj=3.9hmax。当截线距为较小的50 mm时,由于截齿破碎煤岩的微裂纹区域发生重叠,使得煤岩破碎程度更加剧烈,产生更多粉煤,比能耗较大;随着切削厚度的增大,A截齿截割过程所形成的微裂纹能够和相邻的B截齿形成的微裂纹通互相影响,使得两齿间的煤岩易于崩落,形成较大块度的煤岩;随着截线距的增大,A截齿形成的裂纹区域无法与B截齿的裂纹区域相互连通作用,截割状态相当于单齿截割,反映能耗的盒维数较大。

为分析切削厚度对双齿同步作用时截割性能的影响,对仿真实验的截割阻力谱进行归一化处理,计算截齿的盒维数,结果如表2所示。

表2不同切削厚度时的盒维数

Table 2Box dimensions of duplex picks with different cutting thickness

对表中数据进行绘图,得到盒维数Db与切削厚度hmax的关系,如图6所示。

图6　盒维数与切削厚度的关系

Fig. 6Relationship between box dimensions and cutting thickness

由表2和图6可以看出,在双齿同步作用截割煤岩的情况下,当截线距为80 mm时,盒维数Db和比例系数R随着切削厚度的增大呈先减小后增大的趋势。当切削厚度较小时,双齿同步作用截割煤岩产生的微裂纹没有扩展到相邻截齿,截割煤岩区域并未互相影响,由于切削厚度较小,截割产生的粉煤量也相对偏多;随着切削厚度的增大,煤岩产生的微裂纹区域逐渐增大,A截齿与B截齿的区域相互影响使煤岩更易于剥落,此时截割处于定相关的状态,存在最佳的切削厚度使两齿的平均盒维数最小,当截线距Sj=80 mm时,最佳切削厚度hmax=23 mm,此时Sj=3.5hmax;当切削厚度继续增大时,截齿截割形成的微裂纹大量延伸至相邻两截齿的截槽处,导致形成煤岩的块度较小,加剧粉煤量的增多。

3.2截割阻力谱的统计学特征

为分析双齿同步截割应力耦合作用对截齿截割性能的影响,对顺序截割与双齿同步截割截线距为80 mm的八组实验对比,将实验数据进行统计分析,结果如表3所示。

表3　截割阻力统计值

由表3可知,在实验范围内,当截线距为80 mm时,随着切削厚度增大,同步截割与顺序截割的截割阻力的均值、最大值都逐渐增大。同一切削厚度的截割实验,同步截割的A截齿和B截齿的截割阻力均值都较相近,顺序截割的截割阻力均值相差相对较大,由于两截齿同步作用煤岩时,二者的受力环境相似;顺序截割时,A截齿截割后在煤岩上留下截槽,B截齿随后截割,二者的受力环境有所差异,使得两截齿的受力略有差别。在相同的截割条件下,同步截割的截割阻力均小于顺序截割的截割阻力,如A与B截齿顺序截割和同步截割时,其截割阻力的最大值分别平均增大12.3%和6.5%。当切削厚度为15或30 mm时,差值较小,当切削厚度为25 mm时,两种方式截割的截割阻力均值相差最大,这是因为当截线距为80 mm时,切削厚度过小或过大时,双齿作用煤岩区域均不能产生良好的应力叠加效果。当切削厚度达到25 mm时,双齿同步截割使得煤岩产生的微裂纹能互相影响,更利于煤岩的崩落,使得截割阻力下降,破煤的效率更高。

4　结　论

(1)双齿同步作用截割煤岩时,煤岩应力间存在协同效应,相邻截齿的裂纹互相交错、叠加影响,裂纹相对发展会使应力重新分布,有利于煤块的剥落。

(2)当切削厚度一定时,随着截线距的增大,截齿截割阻力谱的盒维数呈先减小后增大的趋势,仿真中切削厚度hmax=15 mm,在截线距约为Sj=58 mm处截割比能耗具有极小值;当截线距一定时,盒维数随着切削厚度的增大,也呈先减小后增大的趋势,仿真中截线距Sj=80 mm,在切削厚度约为hmax=23 mm处比能耗存在极小值。

(3)在相同的截割条件下,同步截割的截割阻力均小于顺序截割的截割阻力,A与B截齿顺序截割和同步截割时,其截割阻力的最大值分别平均增大12.3%和6.5%。合理的匹配截线距和切削厚度可以提高双齿同步截割的性能。

[1]赵丽娟, 何景强, 许军，等. 截齿排列方式对薄煤层采煤机载荷的影响[J]. 煤炭学报, 2011, 36(8): 1401-1406.

[2]尚慧岭. 采煤机滚筒截齿失效工况的影响分析及对策[J]. 煤炭科学技术, 2012, 40(8): 75-77.

[3]王春华, 李贵轩, 王琦. 截齿截割的能耗与块度问题实验研究[J]. 辽宁工程技术大学学报, 2002, 21(2): 238-239.

[4]GONG Q M, ZHAO J, JIAO Y Y. Numerical modeling of the effects of joint orientation on rock fragmentation by TBM cutters[J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2005, 20(1): 183-191.

[5]GONG Q M, ZHAO J. Development of a rock mass characteristics model for TBM penetration rate prediction [J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2009, 46(1): 8-18.

[6]张魁, 夏毅敏, 徐孜军. 不同围压及切削顺序对TBM刀具破岩机理的影响[J]. 土木工程学报, 2011, 44(9): 100-106.

[7]暨智勇. 基于UDEC仿真的滚刀最优刀间距确定方法[J]. 铁道建筑技术, 2012(10): 1-5.

[8]谭青, 张旭辉, 夏毅敏, 等. 不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究[J]. 煤炭学报, 2014, 39(7): 1220-1228.

[9]孙建中, 杨圣奇, 温森. 深部节理岩体TBM滚刀破岩效果及最优刀间距研究[J]. 采矿与安全工程学报, 2015, 34(1): 126-131.[10]宋杨, 刘春生. 采煤机端盘截齿截割煤岩的三向载荷数值模拟[J]. 矿山机械, 2013, 41(7): 19-22.

[11]朱华, 姬翠翠. 分形理论及其应用[M]. 北京科学出版社, 2013.

[12]LI D G， LIU C S. Development and experiment of cutting force model on conical pick cutting rock at different wedge angles[C]// Proceedings of the 2015 International Conference on Mechanics and Mechatronics. Singapore: World Science, 2015: 11-18.

[13]LI D G， LIU C S. Conical pick cutting experiment and resistance spectrum characteristics[C]// Proceedings of the 2015 International Conference on Mechanics and Mechatronics. Singapore: World Science, 2015: 19-25.

[14]刘春生. 采煤机截齿截割阻力曲线分形特征研究[J]. 煤炭学报, 2004, 29(1)： 115-118.

[15]刘春生, 于信伟, 任昌玉. 滚筒式采煤机工作机构[M]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社, 2010.

(编辑徐岩)

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

国家自然科学基金面上项目(51274091)

刘春生(1961-),男,山东省牟平人,教授,研究方向:机械设计和液压传动与控制,E-mail:liu_chunsheng@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.003

TD421.61

2095-7262(2015)05-0476-06

A