黃秋來(lái)

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030)

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，采煤機(jī)滾筒設(shè)計(jì)方案評(píng)判,采煤機(jī)能適應(yīng)何種工況以及如何計(jì)算滾筒受力等問(wèn)題都困擾著工程師，傳統(tǒng)的做法是參考《煤炭切削原理》[1]中的公式進(jìn)行計(jì)算，該計(jì)算公式是根據(jù)刀型齒切削研究建立起來(lái)的，與現(xiàn)在通用的鎬型齒原理切削有較大的差異,該研究未考慮到煤層賦存條件(如煤質(zhì)硬度，層理節(jié)理發(fā)育等)的差異，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用中不理想。采用假煤壁的試驗(yàn)方法,雖能獲取一定的真實(shí)數(shù)據(jù)，但性?xún)r(jià)比太低，基本已被淘汰。

隨著采煤技術(shù)的快速發(fā)展，特別是近年來(lái)高速、高可靠性綜采技術(shù)的高速發(fā)展，原有的破煤理論受到嚴(yán)重制約。如美國(guó)久益公司(JOY)的7LS7型采煤機(jī)牽引速度高達(dá)28.5 m/min，而依據(jù)傳統(tǒng)的切削圖中的進(jìn)刀量進(jìn)行計(jì)算，得出的最高牽引速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于JOY采煤機(jī)的實(shí)際開(kāi)采速度，因此傳統(tǒng)理論已經(jīng)失效。基于此，通過(guò)LS-DYNA建模，導(dǎo)入實(shí)際煤層賦存條件和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行滾筒截割動(dòng)力學(xué)模擬分析，從而解決上述問(wèn)題。

1 LS-DYNA建模求解

ANSYS中的LS-DYNA模塊是著名的非線性動(dòng)力學(xué)分析軟件，能夠求解各種復(fù)雜顯式動(dòng)力學(xué)問(wèn)題如汽車(chē)高速碰撞、爆炸等[2]。在采煤機(jī)滾筒截割煤巖問(wèn)題中可以將滾筒與煤壁的相互作用看作大范圍的瞬態(tài)鋼與煤?jiǎn)卧拇笪灰?、大?yīng)變的幾何非線性求解問(wèn)題。

運(yùn)用LS-DYNA模塊模擬截割建模求解的流程見(jiàn)圖1所示，具體建模步驟如下。

圖1 LS-DYNA分析問(wèn)題流程

1) 建立三維模型。利用Solid Edge等三維CAD軟件構(gòu)建起滾筒模型、煤壁模型，并將兩者組裝成割煤模型。為便于快速仿真計(jì)算，將模型從以下幾個(gè)方面進(jìn)行簡(jiǎn)化：

(1) 齒座、齒套與滾筒體等簡(jiǎn)化為一個(gè)零件，截齒作為獨(dú)立個(gè)體簡(jiǎn)化后安裝到滾筒體上。

(2) 忽略滾筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如端蓋，連接盤(pán)等。

(3) 忽略滾筒葉片附屬結(jié)構(gòu)如葉片護(hù)板，小葉片，耐磨板等。

(4) 煤壁尺寸稍大于滾筒。

2) 導(dǎo)入模型。在三維CAD軟件中將模型轉(zhuǎn)化為通用格式如*.x_t等，文件名為英文或者數(shù)字，不能出現(xiàn)漢字；打開(kāi)ANSYS的經(jīng)典界面找到保存好的*.x_t導(dǎo)入即可；再通過(guò)菜單操作讓模型實(shí)體顯示。

3) 單元選擇。LS-DYNA有LINK160、BEAM161等9種常見(jiàn)三維單元，采用線性位移函數(shù)。研究中滾筒體和截齒都選擇SOLID168四面體單元，該單元類(lèi)型適合劃分結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的形體；煤壁選用SOLID164實(shí)體單元，該單元類(lèi)型對(duì)大變形計(jì)算速度非?？於矣行3]，但是通常需要采用沙漏阻止零能模式。

4) 材料選取。LS-DYNA模塊中預(yù)定義200多種材料，用戶(hù)還可以通過(guò)接口自定義材料。由于自定義材料需要大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，難度較大，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)成本相對(duì)較高，因此選用與煤巖性質(zhì)相近的材料,即DRUCKER_PRAGER[4]。而截齒和滾筒體是剛性體，基本可以忽略其變形，因此選用RIGID剛體材料。

5) 網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分直接影響仿真速度和結(jié)果，需要重點(diǎn)優(yōu)化[5]。通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)觀察可知，實(shí)際滾筒截割時(shí),大多數(shù)情況下是截齒參與接觸，滾筒體沒(méi)有直接截割，其與煤壁之間的接觸力可以忽略。因此結(jié)合前述的單元選擇，對(duì)截齒、滾筒本體和煤壁按照下表1進(jìn)行參數(shù)劃分。需要注意的是，在劃分滾筒單元的時(shí)候，需要分別先選用材料號(hào)再進(jìn)行劃分。

表1 網(wǎng)格劃分要求

6) 定義接觸及約束。滾筒割煤過(guò)程是滾筒自旋帶動(dòng)截齒剝落煤壁并重復(fù)的過(guò)程，屬于面面接觸中的侵蝕接觸。在定義侵蝕接觸時(shí)，將滾筒體和截齒組元定義為一個(gè)組，在主動(dòng)面中選擇截齒對(duì)應(yīng)的組元，從動(dòng)面中選擇煤壁，再設(shè)置兩者之間的靜摩擦因數(shù)、動(dòng)摩擦因數(shù)、黏性摩擦系數(shù)、黏性阻尼系數(shù)以及相鄰材料處理等參數(shù)[6]。此外，對(duì)煤壁非截割接觸表面施加無(wú)反射邊界條件NONREFLECTING約束,對(duì)滾筒約束除平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)外其它方向的運(yùn)動(dòng)。

7) K文件生成修改。通過(guò)上述步驟即可生成后處理文件K文件，但是該K文件不能直接求解，還有一些參數(shù)在ANSYS中無(wú)法修改和定義，因此需要參考LS-DYNA關(guān)鍵字手冊(cè)在K文件中進(jìn)行定義或修改。

(1) 煤層關(guān)鍵字創(chuàng)建及修改。對(duì)DRUCKER_PRAGER煤壁材料增加失效準(zhǔn)則，以判斷煤層截割掉落。根據(jù)實(shí)際煤層測(cè)得的主失效應(yīng)力(sigp1)在K文件中增加關(guān)鍵字MAT_ADD_EROSION來(lái)創(chuàng)建真實(shí)硬度煤層的模擬，各參數(shù)及值如下表2。

表2 ADD_EROSION參數(shù)

(2) 定義沙漏，防止零能模式。在K文件中增加HOURGLASS關(guān)鍵字，見(jiàn)表3。

表3 HOURGLASS參數(shù)

(3) 設(shè)置滾筒變速截割。在K文件中增加PRESCRIBED_MOTION_RIGID關(guān)鍵字，定義滾筒運(yùn)動(dòng)方向；增加CURVE_TITLE關(guān)鍵字設(shè)置采煤機(jī)的牽引速度，具體設(shè)置見(jiàn)表4～表6。

表4 PRESCRIBED_MOTION_RIGID平動(dòng)約束

表5 PRESCRIBED_MOTION_RIGID轉(zhuǎn)動(dòng)約束

表6 CURVE_TITLE設(shè)置速度 m·s-1

(4) 其他參數(shù)定義。增加TERMINATION關(guān)鍵字定義模擬總時(shí)間；增加BINARY_D3PLOT關(guān)鍵字定義輸出時(shí)間間隔；以及輸出文件參數(shù)的定義等[7-8]。

8) 加載求解。打開(kāi)LS-DYNA/SOLVER求解器選擇修改好的K文件進(jìn)行計(jì)算求解。

2 LS-DYNA仿真結(jié)果分析

通過(guò)預(yù)先設(shè)定的煤層和滾筒牽引速度、滾筒轉(zhuǎn)速進(jìn)行LS-DYNA模擬求解后可算出各時(shí)刻采煤機(jī)截割總受力，瞬時(shí)應(yīng)力云圖以及各截齒的受力波動(dòng)狀態(tài)，從而優(yōu)化滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、截齒排列以及預(yù)測(cè)滾筒的最高牽引速度。

1) 滾筒工作受力分析。在后處理工具LS-PREPOST中打開(kāi)計(jì)算生成的D3PLOT文件，選擇X方向的應(yīng)力選項(xiàng)如圖2所示。通過(guò)該云圖可以查看滾筒各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 滾筒的有限元分析

2) 滾筒截齒排列優(yōu)化。衡量滾筒設(shè)計(jì)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是載荷波動(dòng)性，其實(shí)質(zhì)是優(yōu)化滾筒的截齒排列。在LS-PREPOST中可以查看滾筒的載荷分布，圖3為1～7 s內(nèi)滾筒X方向的載荷，通過(guò)檢查波峰和波谷時(shí)段的各截齒受力，重新排列截齒盡量使各截齒受力均衡，以此優(yōu)化滾筒截齒排列。

圖3 滾筒X方向載荷

3) 滾筒各個(gè)截齒受力模擬模型。每個(gè)截齒受力及其大小也是衡量截齒布置合理性的一個(gè)重要參考因素。給每個(gè)截齒定義組元part，即相當(dāng)于將每個(gè)截齒上安裝傳感器，可獲取到即時(shí)受力情況，包括各分力及合力。圖4為4號(hào)截齒X方向的受力情況。

圖4 截齒波動(dòng)系數(shù)

4) 計(jì)算基于實(shí)際煤層的最大牽引速度。在前處理中設(shè)置牽引速度為勻加速運(yùn)動(dòng)，在仿真模擬中，當(dāng)滾筒整體受力突然出現(xiàn)劇增的時(shí)刻，此時(shí)滾筒本體也參與截割，導(dǎo)致?tīng)恳较蜃枇≡觯罱K超過(guò)采煤機(jī)的牽引力，此時(shí)的速度為滾筒在此條件下的最高牽引速度。

3 結(jié)論

在理論研究基礎(chǔ)上，基于ANSYS/LS-DYNA分析模塊，建立了滾筒及煤壁三維模型并對(duì)截割進(jìn)行了仿真分析，得到了滾筒整體的受力情況以及單個(gè)截齒的載荷波動(dòng)圖，分析結(jié)果與實(shí)際工況基本相符，驗(yàn)證了模擬仿真的方向可行，為研究滾筒的實(shí)際工況模擬提供了方法和思路。但是該模擬方法基于真實(shí)的煤層條件模擬，對(duì)煤層材料的定義準(zhǔn)確性非常敏感，因此本方法的關(guān)鍵在于材料的模擬準(zhǔn)確性，該方向有待深入研究。