镐型截齿侧向载荷谱特性实验研究

刘春生，　韩　飞

(1.黑龙江科技大学， 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学 机械工程学院， 哈尔滨 150022)



镐型截齿侧向载荷谱特性实验研究

刘春生1，韩飞2

(1.黑龙江科技大学， 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学 机械工程学院， 哈尔滨 150022)

为研究轴向倾斜角不为零时镐型截齿侧向载荷的特性，采用ABAQUS软件模拟镐型截齿截割煤岩的动态过程，获得镐型截齿截割过程的侧向载荷谱。利用频谱分析方法将其与多截齿参数可调截割实验台测得的侧向载荷谱进行对比分析，根据实验数据建立了侧向载荷拟合的数学模型。结果表明：实验与仿真侧向载荷变化趋势具有一致性；镐型截齿所受侧向载荷方向与其轴向倾斜角方向相同；侧向载荷幅值主要集中在低频区域，且侧向载荷低频段幅值随轴向倾斜角的增加而增加，其拟合曲线的均值与轴向倾斜角呈线性相关；高频段幅值对镐型截齿轴向倾斜角的变化敏感度较弱，主要集中在0.2 kN以内。该研究可以为探明截出侧向载荷提供参考。

镐型截齿； 侧向载荷； 频谱分析； 数学模型

采煤机普遍使用的镐型截齿，消耗了整机大部分的功率。提高镐齿的截割性能，对研究采煤机整机受力，提升采煤工作效率，保障安全生产均具有重要意义[1]。R.A.Qayyum对不同形状和不同的合金头尺寸镐型截齿进行实验，获得了截割力与合金头尺寸、镐型截齿锥角的关系[2]。刘送永等[3]对不同齿身锥度和合金头直径镐型截齿进行截割实验，得出了镐型截齿锥度、合金头尺寸大小与截割力和块煤率的关系。刘春生等[4]对镐型截齿破碎煤岩侧向载荷分布特性进行研究，给出不同类型镐型截齿破碎煤岩侧向载荷分布特性。目前，对于轴向倾斜角θ=0°的镐型截齿，国内外学者取得了诸多的研究成果。对于θ≠0°的镐型截齿，研究尚不够深入。为探讨镐型截齿侧向载荷与轴向倾斜角θ的关系，笔者利用自行研制的多截齿参数可调式旋转截割实验台和ABAQUS软件，研究镐型截齿侧向载荷的特性。

1　煤岩截割模拟

1.1有限元模型

煤岩采用剪切损伤模型和Drucker-Prager模型[5]。由于截割过程复杂，伴随着应力、应变的剧烈变化，包括弹、塑性变形和断裂，煤岩截割过程的仿真分析需假设条件具体如下：截齿绝对速度的大小和方向都不变；煤岩的质地均匀，不含夹矸；忽略截齿运动过程中的振动，认为截齿始终是在一个平面内运动。

将Pro/e中建立的模型另存为iges模式，导入ABAQUS软件中，并为模型赋予材料属性，之后按照ABAQUS界面左侧模型树的装配、分析步、输出请求、相互作用、约束、载荷以及边界条件等模块，建立分析模型[6]，有限元模型如图1所示。

图1　截齿和煤岩有限元模型

1.2仿真侧向截荷性

根据旋转截割实验台的结构与工作参数，选取旋转截割实验中煤壁最大切削厚度附近的0.1 s进行仿真模拟。设定参数与实验参数相同，运用Matlab软件得到侧向载荷谱,如图2所示。

图2　不同轴向倾斜角下的仿真侧向载荷

由于仿真实验中煤壁仅为截割实验煤壁弧长的1/7，所以对于镐型截齿来说，其切削厚度变化不大，因此，对侧向载荷曲线用其均值进行拟合。侧向载荷的幅值随着轴向倾斜角的增加，由0°时的正负交替变化，向着与轴向倾斜角的方向相同的方向变化，且幅值也相应的增大。

2　截齿侧向实验载荷谱

利用多截齿参数可调式旋转截割实验台进行煤岩截割实验[7]。实验采用普通镐型截齿，镐型截齿切向安装角β为40°，沿滚筒轴向倾斜的轴向倾斜角θ分别为0°、5°、10°和15°，截割阻抗Z0为180～ 200 kN/m，滚筒转速40.8 r/min，牵引速度0. 82 m/min，最大切削厚度hmax20 mm，镐型截齿截割完整的月牙形(180°)煤岩需要0.735 s。

实验中镐型截齿截割煤壁时所受的截割阻力通过齿套传递，由后端的力传感器测量其大小。传感器测力方向与镐型截齿轴线一致，定义轴向载荷为Fz，所测力方向与镐型截齿轴线方向垂直，定义径向载荷为Fy，测力方向同时与轴向载荷和径向载荷垂直，定义侧向载荷为Fx，指向采空区一侧为正值[8]。测力装置如图3所示。

1 镐型截齿； 2 齿套； 3 齿座； 4、5、6、7 力传感器

镐型截齿齿尖侧向载荷曲线,如图4所示。由图4可见，随着轴向倾斜角θ的增加，侧向载荷幅值的大小和方向发生显著变化。当θ=0°时，镐型截齿两侧面与煤岩接触的面积基本相等，镐型截齿侧向载荷方向交变波动；当θ≠0°时，截割过程中侧向载荷整体为负值，说明当镐型截齿向煤壁侧倾斜时，镐型截齿所受侧向载荷方向指向煤壁侧，随着θ的增加，侧向载荷曲线逐渐向负方向移动。在宏观和微观上面，θ≠0°时，镐型截齿两侧受到不平衡的侧向载荷。这是因为此时镐型截齿截割煤岩，由于轴向倾斜角的存在，镐型截齿挤压一侧煤岩的崩落空间，截齿侧向载荷既有截割成分，也有挤压成分。

a　θ=0°

b　θ=5°

c　θ=10°

d　θ=15°

3　侧向载荷谱的频谱特性

3.1仿真载荷谱

为研究镐型截齿轴向倾斜角对镐型截齿侧向载荷的影响及其相互关系，进行镐型截齿仿真实验的侧向载荷谱频谱分析，结果如图5所示。

a　θ=0°

b　θ=5°

c　θ=10°

d　θ=15°

由图5可见，θ=0°的镐型截齿，其侧向载荷幅值在整个频域内均小于0.2 kN；而当θ开始增加时，镐型截齿侧向载荷在低频段，尤其是零频的幅值随之增加，而高频段的幅值基本上还集中在0.2 kN以内。

3.2 实验载荷谱

为研究镐型截齿轴向倾斜角对镐型截齿侧向载荷的影响及其相互关系，对镐型截齿实验的侧向载荷谱进行频谱分析，结果如图6所示。

a　θ=0°

b　θ=5°

c　θ=10°

d　θ=15°

由图6可见，镐型截齿的侧向载荷幅值主要集中在低频区域，且随着θ的增加侧向载荷低频段幅值随之增加，其成分来源主要是镐型截齿截割煤岩作用[9]；高频段幅值对镐型截齿θ的变化敏感度较弱，幅值主要集中在0.2 kN以内，其成分来源主要是实验过程中的一些干扰信号。

从图6和图5可以看出，实验与仿真侧向载荷的变化规律基本上是一致的，但是仿真得出的低频幅值要远小于实验的低频幅值。究其原因，采用ABAQUS等有限元软件模拟截齿截割煤岩时，有限元法软件采用的是连续介质力学方法[10]。将煤岩颗粒群体看作一个整体来考虑，忽略了煤岩内部结构的不连续性，而当镐型截齿存在轴向倾斜角时，截齿对煤岩体不仅存在截割作用，还对截槽一侧产生挤压作用。利用有限元软件所给出的本构模型对这部分稳态值进行模拟仿真，就产生很大的误差，因此，有必要深入研究其模拟的本构模型、算法与假设条件。

4　侧向载荷数学模型

由实验数据计算得到低频段侧向载荷，据此给出在实验条件下侧向载荷波峰拟合峰值与轴向倾斜角和切削厚度的关系模型：

(1)

式中：Z——煤岩截割阻抗，kN/mm；

Z0——实验煤岩截割阻抗，Z0=0.2，kN/mm；

h0——实验最大切削厚度，h0=20，mm；

h——切削厚度，h=h0sin(4.27t)，mm；

K1——轴向倾斜角系数；

K2——崩落角影响系数；

α+Δα——镐型截齿当量半锥角，α+Δα=0.951 rad；

φ——崩落角，在实验范围内取φ=π(80-h)/180，rad。

变量(θ,h,Fx)的3n组实验数据应满足

(2)

式中：K1、K2——待估参数；

εθ11,εθ22,…，εθ33——3n个相互独立且服从同一正态分布N(0,σ2)的随机变量。

K2(θj+α+Δα-φ)]}}2。

(3)

对式(3)求偏导取0，可以求得K1=21.372，K2=0.128。

侧向载荷峰值与轴向倾斜角和切削厚度的三维关系，如图7所示。

图7　侧向载荷峰值与轴向倾斜角和切削厚度的拟合关系

分别取图7中切削厚度h为5、10、15和20 mm时，给出的侧向载荷峰值与轴向倾斜角拟合关系,以及θ为5°、10°和15°时，侧向载荷峰值与切削厚度拟合关系，如图8所示。

图8a表示切削厚度5、10、15和20 mm时，轴向倾斜角与侧向载荷的关系，图8b表示轴向倾斜角5°、10°、15°时，切削厚度与侧向载荷的关系。

a

b

图8中的散点是实验数据，从图8可以发现，所给出的拟合关系与实验结果吻合，变化规律一致。这也说明数学模型能较好的符合原始数据，可以对原始数据进行良好地拟合。获得侧向载荷拟合公式：

(4)

5　结　论

(1)利研制的旋转截割实验台，对镐型截齿进行实验研究，得到不同轴向倾斜角时，镐型截齿所受侧向载荷的谱值。从实验结果可以看出，当θ=0°时，镐型截齿两侧面与煤岩接触的面积基本相等，镐型截齿侧向载荷方向交变波动；当θ≠0°时，截割过程中侧向载荷宏观上整体为负值，说明当镐型截齿向煤壁侧倾斜时，镐型截齿所受侧向载荷幅值在指向煤壁侧，当θ增大时，侧向载荷幅值增大。

(2)对侧向载荷谱进行频谱分析处理，可以看出，镐型截齿的侧向载荷幅值主要集中在低频区域，随着镐型截齿轴向倾斜角的增加，侧向载荷低频段幅值随之增加；高频段幅值较小主要集中在0.2kN以内，对于镐型截齿轴向倾斜角的变化不敏感。低频段侧向载荷谱拟合峰值、均值与轴向倾斜角呈线性关系，并且在实验范围内随着轴向倾斜角的增大，呈增大的趋势。

(3)建立镐型截齿截割煤岩的有限元模型，采用剪切损伤模型和Drucker-Prager模型，通过ABAQUS/Explicit模拟镐型截齿截割煤岩的动态过程，得到镐型截齿截割煤岩的侧向载荷谱，其高频段变化规律与实验结果基本一致，而低频段幅值误差很大。原因就在于，有限元法软件所采用的连续介质力学方法在对复杂工况下类似于煤岩等各向异性材料进行模拟仿真时，其本构模型只能对模型的一部分精确仿真。

[1]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.

[2]QAYYUM R A. Effects of bit geometry in multiple bit-rock interaction[D]. West Virginia: West Virginia University, 2003.

[3]刘送永, 杜长龙, 崔新霞, 等. 不同齿身锥度和合金头直径截齿的截割实验[J]. 煤炭学报, 2009, 34(9): 1276-1280.

[4]刘春生, 任春平, 王庆华. 截齿破碎煤岩侧向载荷分布特性研究[J]. 煤矿机电, 2014, 17(5): 14-17.

[5]宋杨. 镐型截齿截割煤岩力学特性的数值模拟[D]. 哈尔滨： 黑龙江科技大学, 2013.

[6]石亦平, 周玉蓉. ABAQUS 有限元分析实例详解[M]. 北京： 机械工业出版社, 2006.

[7]刘春生, 任春平, 李德根. 修正离散正则化算法的截割煤岩载荷谱的重构与推演[J]. 煤炭学报, 2014, 39(5): 981-986.

[8]刘春生, 王庆华, 李德根. 镐型截齿截割阻力谱的分形特征与比能耗模型[J]. 煤炭学报, 2015, 40(11): 2623-2628.

[9]刘春生, 韩飞, 任春平, 等. 基于最大似然估计-Hilbert 法的截齿侧向载荷特征识别[J]. 黑龙江科技大学学报, 2015 (3): 299-303.

[10]纪玉杰, 曹学涛. 截齿截割煤岩的离散元法仿真方法研究[J]. 矿业研究与开发, 2013, 22(1): 22-24.

(编辑李德根)

Experimental study of lateral load on conical pick cutting coal

LIUChunsheng1,HANFei2

(1.Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;2.School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is an attempt to explore the lateral loading condition of conical pick when the angle of axial inclination is not zero. The research works towards simulating the dynamic process of conical pick cutting the coal using ABAQUS and obtaining the lateral load spectrum during the cutting and finally using spectral analysis method to compare the experimental results with the lateral load spectrum obtained from multi-picks parameter adjustable rotary cutting test bench. The study shows that there is a consistency between the trends of the experimental and simulated load ; the direction of the lateral load is consistent with that of axial inclination angle; the lateral load amplitude mainly concentrated in the low frequency region tends to increase with an increase in the axial inclination angle; the mean value has linear correlation with the axial inclination angle;and the lateral load amplitude in the high frequency region shows a weaker sensitivity to the change of the axial inclination angle, mainly within 0.2 kN. The study produces the lateral force mathematical model.

conical pick; lateral load; spectrum analysis; mathematical model

2016-02-16

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.2095-7262.2016.02.014

TD421.61

2095-7262(2016)02-0177-06

A