趙麗娟，趙宇迪，金 鑫，王 巖

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

采煤機(jī)螺旋葉片主要承擔(dān)著裝煤任務(wù)，復(fù)雜的煤層賦存條件和非線性沖擊載荷會(huì)造成其磨損加劇甚至失效，直接影響采煤機(jī)的工作效率和生產(chǎn)成本。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞螺旋滾筒的磨損問題及其修復(fù)優(yōu)化展開了諸多研究。針對(duì)螺旋滾筒磨損問題JOHN P Loui等研究了摩擦力和切削速度對(duì)鎬形截齒磨損失效的影響，所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值一致[1];DOGRUOZ Cihan等通過全方位的切削實(shí)驗(yàn)及數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析方法獲得了截齒磨鈍條件下截割比能耗與截齒種類、磨損情況及煤層物理性質(zhì)之間的函數(shù)關(guān)系[2];JAKUB Gajewski等分別利用未磨損和磨損的鎬形截齒與刀形截齒以及一種新型鋒利截齒進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到其截割功率和扭矩的變化曲線，并通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)截齒磨損情況進(jìn)行預(yù)測(cè)[3];在螺旋滾筒修復(fù)優(yōu)化方面牛東民分析了螺旋葉片磨損的主要原因，提出了葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的改進(jìn)方案[4];陳顥等采用等離子束表面冶金技術(shù)，對(duì)截齒易磨損部位制備了鐵基復(fù)合涂層，提高了截齒的耐磨性[5];劉曉輝構(gòu)建了煤巖截割試驗(yàn)臺(tái)，研究了截齒排列方式、結(jié)構(gòu)參數(shù)及安裝角度對(duì)截齒磨損的影響[6]。綜上所述，前人對(duì)螺旋滾筒截齒磨損的研究已經(jīng)較為深入，但對(duì)于螺旋葉片的磨損僅進(jìn)行了定性的分析，缺少應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)的定量分析。

應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)螺旋葉片磨損問題進(jìn)行研究，可有針對(duì)性地優(yōu)化螺旋滾筒的結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本;同時(shí)擬合得到的螺旋葉片磨損軌跡方程為激光增材修復(fù)提供依據(jù)。

1 理論背景

1.1 螺旋葉片力學(xué)模型

煤巖顆粒在裝載過程中相互間的作用關(guān)系十分復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化力學(xué)模型，對(duì)單一煤顆粒進(jìn)行受力分析如圖1所示[7]，其中，F(xiàn)為等效摩擦力，N;n為滾筒轉(zhuǎn)速，r/min。

圖1 煤顆粒受力分析

煤顆粒平衡方程為

(1)

式中，Pt為落煤切向力，N;Px為軸向拋煤力，N;Nα為拋煤時(shí)螺旋葉片對(duì)煤顆粒的正壓力，N;f為螺旋葉片與煤顆粒的摩擦因數(shù);αcp為葉片螺旋升角，(°)。

由落煤切向力與煤顆粒切向分速度求得裝煤功率為

(2)

式中，Nz為裝煤功率，kW;vt為煤顆粒切向分速度，m/min。

裝煤功率[9]還可表示為

(3)

式中，vq為牽引速度，m/s;vj為截齒截割線速度，m/s;Kz為裝煤阻力系數(shù)，有擋煤板時(shí)Kz=350，無擋煤板時(shí)Kz=1 000，N/cm。

由式(2),(3)聯(lián)立可求得

(4)

1.2 螺旋葉片磨損機(jī)理

煤顆粒在裝運(yùn)過程中對(duì)螺旋葉片產(chǎn)生的磨損屬于磨粒磨損類型，根據(jù)磨粒磨損的微量切削機(jī)理，螺旋葉片的磨損主要是由于煤顆粒在葉片表面發(fā)生微觀切削作用，當(dāng)法向載荷將煤顆粒壓入葉片表面，在相對(duì)滑動(dòng)時(shí)摩擦力通過煤顆粒的微觀切削對(duì)葉片表面產(chǎn)生犁刨作用，因而產(chǎn)生槽狀磨痕。煤顆粒微觀切削模型如圖2所示。

圖2 煤顆粒微觀切削模型

由圖2可知，摩擦副由葉片及煤顆粒構(gòu)成，煤顆粒微凸體頂部呈圓錐形，半角為θ，煤顆粒頂部穿入葉片表面深度為h，磨粒底面圓半徑為r。發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，法向載荷Ni只由前方半接觸面積支承，因此有[9]:

Ni=πr2σs

(5)

當(dāng)煤顆粒移動(dòng)dl時(shí)，去掉材料的體積是dV1=rhdl，則

h=rcotθdV1=r2dlcotθ

(6)

式中，l為單位磨損距離，mm。

所以一個(gè)微凸體滑動(dòng)一個(gè)單位距離所產(chǎn)生的磨損體積為

(7)

由式(5)與式(7)聯(lián)立得:

(8)

假定Ni是穩(wěn)定的，可得磨損距離為L(zhǎng)的總磨損體積為

(9)

(10)

式中，V為總磨損體積，mm3;N為法向正壓力，N;L為滑動(dòng)磨損距離，mm;θ為煤顆粒圓錐半角，(°);σs為抗壓屈服強(qiáng)度，MPa;K為磨粒磨損系數(shù)。

2 有限元模型構(gòu)建及仿真結(jié)果分析

2.1 有限元模型構(gòu)建

以MG400/951-WD新型采煤機(jī)螺旋滾筒為工程對(duì)象，利用Pro/Engineer分別建立螺旋滾筒與夾矸煤層的三維實(shí)體模型，并對(duì)模型進(jìn)行全局干涉檢查，將裝配好的模型導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行前處理[10]。設(shè)定單元類型為8節(jié)點(diǎn)SOLID164單元，并對(duì)螺旋滾筒的材料屬性進(jìn)行定義見表1。

表1 螺旋滾筒材料屬性

Table 1 Material properties of spiral drum

材料屬性合金頭齒體筒轂、螺旋葉片密度/(t·m-3)14.607.857.85彈性模量/GPa590.0212.5218.7泊松比0.230.300.30抗壓強(qiáng)度/MPa13001080766.67抗拉強(qiáng)度/MPa15001200862.03

以兗州煤業(yè)股份有限公司楊村礦17層煤巖試樣為研究對(duì)象，如圖3所示，所測(cè)物理力學(xué)性質(zhì)見表2。

圖3 夾矸煤巖試樣

表2 夾矸煤巖物理力學(xué)性質(zhì)

為了更好地描述螺旋葉片的磨損失效，葉片網(wǎng)格采用掃略的劃分方式，同時(shí)為了縮短仿真時(shí)間，螺旋滾筒其他部分的網(wǎng)格采用四面體智能劃分。導(dǎo)出K文件到LS-DYNA中進(jìn)一步設(shè)置，如圖4所示。

圖4 初始K文件模型

在LS-DYNA中設(shè)置螺旋滾筒與夾矸煤巖的接觸類型為面面侵蝕接觸[11];定義夾矸煤巖的邊界條件為無反射邊界條件，消除應(yīng)力波到達(dá)邊界時(shí)的反射現(xiàn)象;定義夾矸煤巖的材料模型為096_BRITTLE_DAMAGE[12]，通過材料關(guān)鍵字中的ADD_EROSION與PLASTIC_KINEMATIC分別對(duì)夾矸煤巖與螺旋葉片定義失效，用以表征煤顆粒被截落與螺旋葉片的磨損失效[13];通過關(guān)鍵字*DEFINE_CURVE定義螺旋滾筒初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)曲線，并通過*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_

RIGID施加到筒轂，基于實(shí)際工況定義牽引速度為8 m/min、滾筒轉(zhuǎn)速為60 r/min驅(qū)動(dòng)螺旋滾筒;設(shè)置求解時(shí)間為4 s，通過關(guān)鍵字*DATABASE_RCFORC添加螺旋葉片接觸力二進(jìn)制文件的輸出[14];將最終的K文件導(dǎo)入LS-DYNA/SOLVER求解器進(jìn)行求解。

2.2 仿真結(jié)果分析

螺旋滾筒截割?yuàn)A矸煤巖的數(shù)值模擬結(jié)果如圖5所示。利用LS-PREPOST4.2后處理軟件對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行查看。

圖5 數(shù)值模擬結(jié)果

為便于觀察，將夾矸煤巖層進(jìn)行隱藏，獲得螺旋葉片磨損的數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 螺旋葉片磨損

由仿真結(jié)果及圖6可知，螺旋葉片尾端磨損較為嚴(yán)重，磨屑單元脫落產(chǎn)生磨痕，同時(shí)葉片外緣也有輕微磨損，這與現(xiàn)場(chǎng)工況下螺旋葉片磨損情況相吻合，如圖7所示，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。

圖7 螺旋葉片磨損(現(xiàn)場(chǎng)工況)

圖8 螺旋葉片應(yīng)力云圖

螺旋葉片應(yīng)力最大值時(shí)云圖如圖8所示。其中最大的應(yīng)力單元1203406應(yīng)力值為1 014 MPa，周圍還存在一條應(yīng)力值大于葉片抗壓屈服強(qiáng)度(766.67 MPa)的高應(yīng)力帶，磨屑脫落產(chǎn)生犁溝狀磨損帶[15]。這主要是由于螺旋葉片在裝煤的過程中，一部分煤流經(jīng)葉片的裝運(yùn)堆積于葉片尾端與運(yùn)輸機(jī)溜槽之間形成煤堆，煤堆中的較大煤顆粒及硬夾矸需要被葉片推擠從而獲得一定的流動(dòng)性方能被順利排出，葉片受到較大的外部載荷，摩擦力增大，超過葉片表面材料的抗壓屈服強(qiáng)度，導(dǎo)致葉片尾端磨損最為嚴(yán)重。

通過LS-PREPOST4.2導(dǎo)出螺旋葉片接觸力RCFORC二進(jìn)制文件[16]，獲得螺旋葉片工作載荷譜及磨損最大處振動(dòng)節(jié)點(diǎn)位移曲線如圖9，10所示。

圖9 螺旋葉片工作載荷譜

圖10 節(jié)點(diǎn)位移曲線

由圖9可知，螺旋滾筒在截割賦存條件復(fù)雜的煤層時(shí)，螺旋葉片持續(xù)承受動(dòng)態(tài)變化的載荷沖擊的影響。由圖10可知，磨損最大處振動(dòng)測(cè)點(diǎn)X,Y方向存在著波動(dòng)的節(jié)點(diǎn)位移，其中X向位移在±0.5 mm內(nèi)波動(dòng)，Y向位移則由-0.5 mm逐步增大且大于X向振幅，反映出葉片承受著較大的螺旋滾筒破煤時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)影響，導(dǎo)致齒座下端的葉片外緣部分與夾矸煤巖發(fā)生接觸，產(chǎn)生部分附加磨損。通過LS-PREPOST4.2Toggle-deleted elements選項(xiàng)可將螺旋葉片磨損失效的單元重新顯示以獲得仿真時(shí)間內(nèi)葉片磨損體積的變化(表3)，通過Matlab軟件對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得螺旋葉片磨損體積隨時(shí)間變化的趨勢(shì)如圖11所示。

表3 螺旋葉片磨損體積

Table 3 Helical blade worn volume

時(shí)刻/s磨損體積/10-3mm30.52.741.06.081.58.042.09.232.510.803.011.403.511.804.01.21

圖11 螺旋葉片磨損體積隨時(shí)間變化趨勢(shì)

由表3和圖11可知，螺旋葉片的磨損量隨工作時(shí)間逐漸增大，但磨損速率卻隨工作時(shí)間逐漸減小。這是由于在磨損初期，法向載荷比較小，煤巖顆粒與螺旋葉片的實(shí)際接觸面積較小，夾矸煤內(nèi)部的矸石等尖銳、鋒利的棱角與螺旋葉片表層金屬直接接觸，微觀切削作用效果明顯，磨損增速劇烈;隨著螺旋葉片表面不斷被磨損，其微觀輪廓趨于平整，與煤巖顆粒之間接觸較為緊密，微觀切削相對(duì)速度較慢，磨損速率逐漸降低。觀察不同時(shí)刻螺旋葉片磨損域的擴(kuò)展情況如圖12所示，由圖12可知，1～2 s時(shí)刻葉片磨損域變化較為明顯，之后雖然磨損域也逐步擴(kuò)展，但擴(kuò)展速度相較之前放緩，這與磨損速率變化情況相一致。

圖12 螺旋葉片磨損域擴(kuò)展

3 螺旋葉片磨損軌跡分析

螺旋葉片因制造工藝復(fù)雜且通過焊接手段進(jìn)行裝配，一旦發(fā)生磨損失效，更換整個(gè)螺旋葉片不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且會(huì)造成大量材料的浪費(fèi)。利用激光增材技術(shù)可對(duì)磨損的螺旋葉片進(jìn)行快速、精準(zhǔn)的修復(fù)，這就需要獲得螺旋葉片磨損的軌跡信息[17]。

以磨損最為嚴(yán)重的螺旋葉片尾端為研究對(duì)象，其犁溝狀磨損帶近似一條空間曲線，方便磨損軌跡的獲取。利用LS-PREPOST4.2后處理軟件獲得以筒轂底面圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)的磨損失效單元空間坐標(biāo)值見表4。

表4 磨損失效單元空間坐標(biāo)值

Table 4 Spatial coordinates of abrasion failure elementsmm

磨損失效單元編號(hào)X軸坐標(biāo)值Y軸坐標(biāo)值Z軸坐標(biāo)值1174.042.1494.02183.044.7489.53193.147.4484.44201.749.7480.05215.253.3473.66225.056.0467.7

在空間坐標(biāo)系下利用Matlab軟件對(duì)表4磨損失效單元空間坐標(biāo)值進(jìn)行擬合，得到葉片尾端的磨損失效單元所對(duì)應(yīng)的磨損軌跡如圖13所示，可見其近似為一條空間曲線，該磨損軌跡方程為

z=-75.941 4x2-1 043.955y2+563.157 7xy+

2 662.651 1x-9 884.458 7y-22 507.424 5

圖13 螺旋葉片磨損軌跡曲線

螺旋葉片尾端磨損軌跡方程可與激光掃描儀所測(cè)磨損點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為激光熔覆過程中行走軌跡的設(shè)定提供參考，最終通過逐層堆積的方式對(duì)葉片尾端的犁溝狀磨損帶進(jìn)行增材修復(fù)[18]。

4 結(jié) 論

(1)螺旋葉片尾端磨損最為嚴(yán)重，同時(shí)葉片外緣也存在一定程度的磨損。結(jié)合螺旋葉片應(yīng)力云圖和載荷譜可知煤堆對(duì)葉片的擠壓作用造成葉片尾端的磨損失效;沖擊載荷引起葉片與夾矸煤巖接觸造成葉片外緣磨損失效。

(2)通過Matlab軟件對(duì)不同時(shí)刻螺旋葉片磨損失效體積進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，結(jié)果表明螺旋葉片的磨損量隨工作時(shí)間逐漸增大，但磨損速率隨著仿真時(shí)間的增加而逐漸放緩。結(jié)合磨粒磨損機(jī)理可知隨著磨損過程的逐步累積，葉片表面趨于平整，微觀切削作用減弱導(dǎo)致磨損速率逐漸放緩。

(3)獲得了螺旋葉片尾端磨損的軌跡方程，可與實(shí)測(cè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，為激光熔覆過程中行走軌跡的規(guī)劃提供參考。