宋振鐸，袁　智，郝志勇（.遼寧工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 3000；.中國(guó)煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司，北京 000）

機(jī)電自動(dòng)化

基于ANSYS/LS-DYNA的采煤機(jī)滾筒截割煤巖數(shù)值模擬研究

宋振鐸1，2，袁智2，郝志勇1
（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.中國(guó)煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司，北京 100011）

采煤機(jī)滾筒截割煤巖過(guò)程中，滾筒截割阻力、軸向力、截割阻力矩以及截割功率是隨機(jī)變化的。為方便觀察截割滾筒載荷譜形態(tài)以及滾筒應(yīng)力分布情況，采用顯示動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)采煤機(jī)滾筒截割煤壁的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到兩種工況下滾筒、截齒三向力載荷變化曲線，獲取截齒載荷和滾筒應(yīng)力分布狀態(tài)，分析直線截割與斜切狀態(tài)下滾筒力矩和截齒載荷特性。研究發(fā)現(xiàn)滾筒和截齒在斜切時(shí)，受到影響最明顯的是截割軸向力，而截割阻力影響較小。同時(shí)表明：直線截割與斜切狀態(tài)下，截齒開(kāi)始插入煤巖時(shí)會(huì)有一定沖擊，齒根處應(yīng)力會(huì)瞬間增加，隨著截齒繼續(xù)切入，煤巖崩裂，截齒載荷降低，導(dǎo)致齒座根部應(yīng)力減小。

采煤機(jī)；滾筒；截齒；載荷譜；應(yīng)力

采煤機(jī)滾筒旋轉(zhuǎn)截割煤巖時(shí)，滾筒截割阻力、軸向力以及截割功率皆是變化的。為方便觀察截割滾筒載荷譜形態(tài)以及滾筒應(yīng)力分布情況，可采用數(shù)值模擬手段獲取截齒載荷和滾筒應(yīng)力分布狀態(tài)。數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于采礦機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，其主要特點(diǎn)為：可連續(xù)地、重復(fù)地、隨時(shí)隨地觀察整個(gè)動(dòng)態(tài)截割過(guò)程，并且能夠獲得材料細(xì)微變形過(guò)程中整體與局部的關(guān)系；可以清晰、直觀地顯示出通過(guò)實(shí)驗(yàn)很難觀測(cè)到零件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)、位移場(chǎng)、速度與加速度場(chǎng)等的分布及變化情況；而且還可以減少實(shí)驗(yàn)費(fèi)用[5-7]。本文采用顯示動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)采煤機(jī)滾筒截割煤巖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到兩種工況下滾筒、截齒三向力載荷變化曲線，并分析在斜切狀態(tài)下滾筒力矩和截齒載荷特性與直線截割時(shí)的區(qū)別。

1　滾筒截割煤巖模型建立

1.1問(wèn)題描述

滾筒截割煤巖過(guò)程屬于有限元分析中的侵徹問(wèn)題，截齒插入被截割煤壁，使煤塊破壞并從煤體上脫落。本文采用基于有限單元法的數(shù)值方法，將刀具和煤巖離散為有限個(gè)單元，并用力與位移關(guān)系的特征矩陣對(duì)其所屬單元進(jìn)行賦值，稱為剛度矩陣，然后將各個(gè)單元?jiǎng)偠染仃嚱M合成一個(gè)全局矩陣組，再用它來(lái)對(duì)位移量進(jìn)行求解，通過(guò)ANSYS/LSDYNA對(duì)采煤機(jī)滾筒截割煤巖進(jìn)行模擬，使用Lagrange算法控制網(wǎng)格畸變，減小沙漏能。

1.2滾筒截割煤巖實(shí)體模型建立

采用Inventor完成采煤機(jī)螺旋滾筒與被截割煤巖的實(shí)體模型建立，對(duì)滾筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化：

1）將不做重點(diǎn)分析的、不影響滾筒整體受力的結(jié)構(gòu)如噴嘴、螺紋孔等結(jié)構(gòu)特征去除；

2）齒座與螺旋葉片、齒座與端盤(pán)之間均為焊接，在此，不對(duì)焊接結(jié)構(gòu)做詳細(xì)分析，可將齒座與滾筒螺旋葉片、端盤(pán)等簡(jiǎn)化為一個(gè)實(shí)體模型。

建立的滾筒截割煤巖實(shí)體模型見(jiàn)圖1，對(duì)應(yīng)的斜切段中部路槽形狀見(jiàn)圖2。

圖1　滾筒截割煤巖實(shí)體模型

圖2　斜切段中部路槽形狀

1.3滾筒截割有限元模型建立與求解

截齒碰撞煤巖過(guò)程中，煤巖通過(guò)塑性變形來(lái)吸收動(dòng)能，整個(gè)滾筒相對(duì)于煤巖有較高的硬度、剛度，故將螺旋滾筒視為剛體，選用剛體模型：MAT_020(MAT_RIGID)。綜合考慮煤巖在破碎過(guò)程中的行為特點(diǎn)，采用 LS-DYNA軟件中的*MAT_DRUCKE_PRAGER材料模型對(duì)煤巖本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行模擬，采用關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION來(lái)定義材料失效[8-9]。選用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元SOLID164，使用ANSYS Workbench網(wǎng)格劃分功能（Hex-Dominant）控制煤巖網(wǎng)格；通過(guò)Automatic網(wǎng)格劃分工具控制滾筒網(wǎng)格并細(xì)化截齒等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。直線截割時(shí)共劃分904 275個(gè)單元，1 475 806個(gè)節(jié)點(diǎn)；斜切進(jìn)刀時(shí)共劃分9 239 411個(gè)單元，1 527 304個(gè)節(jié)點(diǎn)，有限元模型如圖3所示。

圖3　 有限元模型

采用面-面侵蝕接觸來(lái)定義滾筒與煤巖、截齒與煤巖的接觸，選用自動(dòng)接觸類，即ASTS，*CONTA CT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE。通過(guò)關(guān)鍵字*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_STE模擬截齒與對(duì)應(yīng)齒座的耦合。

滾筒截割煤巖時(shí)具有兩個(gè)自由度，一個(gè)是沿牽引方向的平移自由度，另一個(gè)是繞滾筒軸線旋轉(zhuǎn)自由度。滾筒被視為剛體，在運(yùn)行過(guò)程中，需要對(duì)滾筒質(zhì)量中心進(jìn)行限制，在MAT_RIGID卡片下設(shè)置COM為1（限制相對(duì)于全局坐標(biāo)系），CON1為6（限制X和Z向的位移），CON2為5（限制滾筒Y和Z向的旋轉(zhuǎn)自由度），并沿Y軸施加速度載荷，大小為牽引速度；繞X軸的旋轉(zhuǎn)角速度，大小為滾筒的旋轉(zhuǎn)速度。煤壁周圍與其它煤巖相連，設(shè)置其四周為固定約束。通過(guò)ANSYS軟件生成K文件，導(dǎo)入到LS-DYNA求解器中進(jìn)行求解，并通過(guò)LSPREPOST后處理程序獲得所需數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1　模擬基本參數(shù)

2　數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1載荷對(duì)比分析

在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)下，進(jìn)行直線截割與斜切進(jìn)刀時(shí)滾筒三項(xiàng)載荷的對(duì)比分析。圖4、圖5分別為直線截割和斜切進(jìn)刀時(shí)滾筒繞全局坐標(biāo)軸X軸、Y軸、Z軸的力矩時(shí)域變化曲線。由圖5可知，在開(kāi)始進(jìn)入斜切狀態(tài)時(shí)，由于滾筒上參與截割的截齒數(shù)量較少，截深和截割寬度都較小，所需截割能量較少，螺旋滾筒繞坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)矩也比較?。浑S斜切進(jìn)程的推進(jìn)，同時(shí)參與截割的截齒數(shù)量也在增加，滾筒繞坐標(biāo)軸的力矩也隨之變大，截割所需的能耗同時(shí)增加；當(dāng)斜切進(jìn)入滾筒的全截深時(shí)，斜切進(jìn)刀臨近結(jié)束，力矩達(dá)到最大，隨著牽引的推進(jìn)采煤機(jī)滾筒逐漸進(jìn)入直線截割狀態(tài)。

圖4　直線截割時(shí)滾筒力矩

圖5　斜切進(jìn)刀時(shí)滾簡(jiǎn)力矩

圖6　 直線截割載荷

圖7　斜切載荷

表2　載荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

對(duì)比直線截割狀態(tài)下的三項(xiàng)力矩圖4可得，在斜切狀態(tài)下，當(dāng)進(jìn)入全截深后，繞坐標(biāo)軸的三個(gè)力矩均比直線狀態(tài)下略大。三個(gè)坐標(biāo)軸上的力矩是每個(gè)截齒的三項(xiàng)力在全局坐標(biāo)系中分力的綜合作用，通過(guò)對(duì)比圖6和圖7以及滾筒載荷和力矩的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表2可知，斜切時(shí)截齒側(cè)向力和進(jìn)刀力與直線時(shí)相比多了一個(gè)斜切增量，對(duì)截割阻力影響不大，因此，兩個(gè)方向的載荷對(duì)滾筒力矩產(chǎn)生了影響。在圖6和圖7中，兩種工況下截齒的載荷曲線峰值差異明顯，在波動(dòng)明顯的線段，表明有大塊煤脫落。

2.2應(yīng)力狀態(tài)對(duì)比分析

在2.1中，通過(guò)將截齒和滾筒都作為剛體分析，獲得截齒的載荷時(shí)間歷程數(shù)據(jù)和滾筒截割力矩時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，并且以此為依據(jù)對(duì)比分析截割滾筒在斜切和直線兩種狀態(tài)下的載荷特性。但是，缺少應(yīng)力應(yīng)變信息，為獲得滾筒應(yīng)力，將滾筒作為柔性體，同時(shí)創(chuàng)建減速器軸并將其設(shè)置為剛體材料，在ANSYS/LS-DYNA中通過(guò)關(guān)鍵字*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET將滾筒與減速器輸出軸連接螺栓處的節(jié)點(diǎn)耦合到剛體（減速器輸出軸）的質(zhì)量中心位置處。

針對(duì)滾筒而言，從圖8-a和圖8-b的應(yīng)力云圖可以得知，滾筒應(yīng)力區(qū)集中于工作截齒的齒座根部，螺旋滾筒其他部位的應(yīng)力遠(yuǎn)小于齒根處，主要是由于截齒齒座的結(jié)構(gòu)所決定，因此，截齒齒座的根部位置是滾筒上的薄弱位置，容易發(fā)生損傷、破壞斷裂等失效形式。對(duì)比圖8-a和圖8-b，在斜切時(shí)滾筒應(yīng)力更加集中，根部的應(yīng)力集中更為明顯，其最大應(yīng)力大于直線時(shí)的最大應(yīng)力，這是由于滾筒在斜切進(jìn)刀時(shí)，軸向力和推進(jìn)力產(chǎn)生的增量所引起的。

圖8　滾筒應(yīng)力云圖

圖9　滾筒關(guān)鍵單元等效應(yīng)力

圖9-a給出了斜切進(jìn)刀時(shí)的滾筒上91 776單元和92 064單元的等效應(yīng)力曲線圖，圖9-b給出了斜切進(jìn)刀時(shí)的滾筒上92 447單元和91 748單元的等效應(yīng)力曲線圖。由圖9可得到與圖8相同的結(jié)果：截齒開(kāi)始插入煤巖時(shí)會(huì)有一個(gè)很小的沖擊，齒根處的應(yīng)力會(huì)有一個(gè)瞬間的增加；隨截齒的繼續(xù)切入，煤巖崩裂，從煤體上剝落下來(lái)，截齒載荷降低，導(dǎo)致齒座根部應(yīng)力減小。

3　結(jié)束語(yǔ)

以雙滾筒采煤機(jī)前螺旋滾筒截割煤巖為研究對(duì)象，針對(duì)直線截割和斜切進(jìn)刀兩種工況的實(shí)際情況，進(jìn)行非線性動(dòng)力學(xué)模擬。應(yīng)用顯示動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)采煤機(jī)滾筒截割煤巖過(guò)程進(jìn)行模擬。得到了兩種工況下滾筒、截齒的三向力載荷變化曲線，并分析在斜切狀態(tài)下滾筒力矩和截齒載荷特性與直線截割的不同之處，發(fā)現(xiàn)滾筒和截齒在斜切時(shí)，受到影響最明顯的是軸向力，而截割阻力影響不大，但由于斜切產(chǎn)生增量，使截齒載荷尤其是端盤(pán)截齒載荷變化更加復(fù)雜。

[1]張艷林,閆炳雷,陳鍔,劉興利.基于ANSYS/LS_DYNA的掘進(jìn)機(jī)截齒截割煤巖動(dòng)力學(xué)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2013(2):74-77.

[2]王崢榮,熊曉燕,張宏,陳冬冰.基于LS-DYNA采煤機(jī)鎬型截齒截割有限元分析[J].振動(dòng)測(cè)試與診斷,2010(2):163-165,210.

[3]趙麗娟,王野,何景強(qiáng).基于LS-DYNA的偏置刨刀破煤過(guò)程仿真研究[J].現(xiàn)代制造工程,2012(12):71-75.

[4]朱玉勝,王義亮,陸輝.采煤機(jī)滾筒截齒的截線距分析及優(yōu)化[J].太原理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013(5):584-588.

[5]趙麗娟,何景強(qiáng),李發(fā).刨煤機(jī)刨刀破煤過(guò)程的數(shù)值模擬[J].煤炭學(xué)報(bào),2012(5):878-883.

[6]陶云,黃勇標(biāo),孫長(zhǎng)敬.刨煤機(jī)刨刀有限元應(yīng)力分析[J].煤礦機(jī)械,2004,25(5):45-47.

[7]王崢榮.基于LS-DYNA采煤機(jī)鎬型截齒截割有限元分析[J].振動(dòng)、測(cè)試與診斷,2010,30(2):163-165.

[8]R.C.NONGPIUR.Design of minimax robust broadband beamformers with optimized microphone positions[J].Digital Signal Processing,2014(9):89-91.

[9]周鵬展,肖加余,曾竟成,等.基于ANSYS的大型復(fù)合材料風(fēng)力機(jī)葉片結(jié)構(gòu)分析[J].國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào),2010,32(2):47-50.

（編輯：劉新光）

Numerical Simulation of Cutting Coal of Shearer Drum Based on ANSYS/LS-DYNA

SONG Zhenduo1，2，YUAN Zhi2，HAO Zhiyong1
(1.School of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China；2.China National Coal Mining Equipment Co.Ltd.,Beijing 100011,China)

In the process of cutting coal and rock,the cutting resistance,axial force,cutting resisting moment,and cutting power of shearer drum vary randomly.In order to observe the load spectrum and stress distribution of the drum,an explicit dynamics software,ANSYS/LS-DYNA,was used to simulate the process of cutting coal of the shearer drum to obtain three-directional curve of the drum and pick under two working situations,to achieve the pick load and the stress distribution of the drum,and to analyze the drum torque and the load characteristics of the picks under the straight and inclined cutting.The results show that the inclined cutting has the greatest impact on cutting axial force and the least impact on the cutting resistance.In the condition of the straight and inclined cutting,the picks will have a certain impact when inserting the coal and rock,the stress will increase suddenly at pick root.With the continuous cutting,the coal and rock will collapse,the pick load will fall,causing the decrease of the stress at the pick root.

shearer;drum;pick;load spectrum;stress

TD421

A

1672-5050（2016）02-0001-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.001

2016-02-21

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2014C13046301）；國(guó)家發(fā)改辦能源[2010]1961；中煤集團(tuán)重點(diǎn)科技項(xiàng)目（13-8）；國(guó)家能源采掘裝備研發(fā)實(shí)驗(yàn)中心項(xiàng)目

宋振鐸（1981-），男，黑龍江通河人，在讀博士，工程師，從事煤礦機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)研究。