任春平,張訓(xùn)洪,趙中旭

(黑龍江科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150022)

我國薄煤層資源儲(chǔ)量豐富,但其煤層賦含夾矸,開采難度較大[1-3]。截齒是采煤機(jī)截割煤巖的關(guān)鍵零件,截齒所受載荷具有時(shí)變性、沖擊性等特點(diǎn),導(dǎo)致截齒快速磨損,更換頻繁[4-8]。為提高截齒的破碎性能,國內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)截齒截割力做了大量的研究。董磊等[9]利用PFC(Power Factor Correction,功率因數(shù)校正)研究了單齒截割巖石時(shí)接觸狀態(tài)對(duì)截割力的影響。劉晉霞等[10]以Evans截割力模型為基礎(chǔ),提出了鎬型截齒旋轉(zhuǎn)截割力模型。Gospodarczyk[11]建立了數(shù)值模擬模型,研究了采煤機(jī)不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)下的受力與截割性能的變化規(guī)律。梁運(yùn)培等[12]基于一種直線截割試驗(yàn),研究了截割厚度和截線距對(duì)鎬型截齒力學(xué)參數(shù)的影響。任春平等[13]采用Tikhonov正則化求解兩類確定性的問題,實(shí)現(xiàn)了截齒截割煤巖載荷上下界的確定。

綜上所述,國內(nèi)外大多學(xué)者對(duì)截割力的研究以改變運(yùn)動(dòng)參數(shù)與求解方法居多,對(duì)含夾矸煤層研究較少,未考慮不同截齒安裝角度對(duì)截齒截割含夾矸煤巖截割力的影響。因此,針對(duì)復(fù)雜煤巖工況,本文采用數(shù)值模擬的方法,通過有限元軟件ABAQUS模擬截齒截割含夾矸煤巖過程,研究了截齒不同安裝角度對(duì)截齒截割力的影響規(guī)律。

1 截齒-煤巖有限元耦合模型的建立

根據(jù)數(shù)值模擬要求,采用Pro/E建立截齒與煤巖的三維模型,另存為.step格式,再導(dǎo)入到ABAQUS中,設(shè)置截齒與煤巖的材料參數(shù)[14],調(diào)整截齒和煤巖的相對(duì)位置與角度進(jìn)行裝配,如圖1所示。

圖1 截齒-煤巖耦合模型

將裝配好的耦合模型指派網(wǎng)格屬性并劃分網(wǎng)格,為在數(shù)值模擬中提高計(jì)算精度,用掃略式劃分煤巖,細(xì)化煤巖和截齒直接接觸區(qū)域的網(wǎng)格。無限元在仿真過程中可以吸收應(yīng)力波,避免固定邊界上反射的應(yīng)力波重新進(jìn)入模型并參與計(jì)算,無限邊界部分應(yīng)用重新定義掃略路徑功能,將路徑定義為指向表面外法線方向。截齒采用自由法對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格單元的類型選用六面體。

為了使模擬過程更加接近真實(shí)截割狀態(tài),將截齒設(shè)定為剛體,截齒與煤巖的法向接觸為硬接觸,煤巖的兩側(cè)面設(shè)定為無限元邊界。為了避免仿真過程中煤巖受力后產(chǎn)生位移,在載荷模塊中,對(duì)煤巖的外圓弧面施加完全固定,限制煤巖整體的位移,對(duì)截齒設(shè)定位移和轉(zhuǎn)角參數(shù),使得截齒產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),創(chuàng)建作業(yè)為后面的處理做好準(zhǔn)備。

2 煤巖破碎動(dòng)態(tài)過程分析

為研究不同安裝角度對(duì)截齒截割含夾矸煤巖的破碎動(dòng)態(tài)過程,根據(jù)單因素仿真方案,設(shè)置截齒安裝角度分別為40 °、43 °、45 °、47 °、50 °,采煤機(jī)牽引速度為2 m/min、滾筒轉(zhuǎn)速為90 r/min,夾矸強(qiáng)度為33 MPa、夾矸厚度為240 mm進(jìn)行仿真分析。不同安裝角下截齒在最大切削厚度處的煤巖單元應(yīng)力云圖,如圖2所示。

圖2 最大切削厚度處煤巖單元應(yīng)力狀態(tài)

由圖2可知,安裝角增加對(duì)齒尖與煤巖干涉面積影響較小,最大切削厚度對(duì)應(yīng)橫截面失效單元數(shù)量基本不變;齒尖處煤巖單元應(yīng)力最大,遠(yuǎn)離齒尖區(qū)域單元應(yīng)力逐漸遞減。

為分析最大切削厚度對(duì)應(yīng)橫截面失效單元數(shù)隨安裝角變化規(guī)律,應(yīng)用ABAQUS后處理功能統(tǒng)計(jì)失效單元數(shù),如表1所示。

表1 最大切削厚度對(duì)應(yīng)橫截面失效單元數(shù)

由表1可知,截齒在截割含夾矸煤巖時(shí),最大切削厚度對(duì)應(yīng)橫截面失效單元數(shù)隨安裝角增加呈現(xiàn)增加趨勢(shì),安裝角為40 °時(shí),失效單元數(shù)量最小,其值為96個(gè);安裝角為50 °時(shí),失效單元數(shù)量最大,其值為109個(gè)。

3 截割性能模擬結(jié)果分析

截割力是表征截齒截割性能的重要指標(biāo)[15],為分析不同截齒安裝角下截齒截割性能變化規(guī)律,應(yīng)用ABAQUS后處理功能,得到不同安裝角度下的截齒截割力變化曲線,如圖3所示。

圖3 不同安裝角度下截齒截割力曲線

由圖3可知,截齒截割煤層,隨著時(shí)間的增加,截齒切削厚度逐漸增加,導(dǎo)致截齒截割力呈現(xiàn)波動(dòng)式增加,當(dāng)截齒觸碰到夾矸時(shí),載荷出現(xiàn)激增,當(dāng)截齒離開夾矸時(shí),載荷又出現(xiàn)驟降;截齒最大截割力出現(xiàn)在最大切削厚度附近;改變安裝角度,對(duì)截齒截割力影響較小,截齒最大截割力基本不變。將截齒截割力導(dǎo)入到MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,通過擬合找到截割力均值和截割力峰值均值,得到的指標(biāo)值如表2所示。

表2 不同安裝角度下截齒截割性能指標(biāo)

表2為截齒安裝角度分別為40 °、43 °、45 °、47 °、50 °工況下截齒截割力均值及截割力峰值均值,為了更直觀地表現(xiàn)出截割力變化趨勢(shì),給出不同安裝角度下截齒截割力均值及峰值均值直方圖,如圖4所示。

圖4 不同安裝角度下截割性能指標(biāo)

由圖4可知,截齒安裝角度在50 °工況下,截齒所受截割力的均值最大為9.83 kN;截齒安裝角在40 °工況下,截齒所受截割力的均值最小為8.65 kN.在截齒安裝角為43°工況下,截齒所受截割力峰值均值最大為10.33 kN;45 °工況下,截齒所受截割力峰值均值最小,其值為9.80 kN.

為研究不同牽引速度對(duì)截齒截割性能的影響,設(shè)置采煤機(jī)牽引速度分別為1 m/min、1.5 m/min、2 m/min、2.5 m/min、3 m/min,滾筒轉(zhuǎn)速固定為90 r/min、夾矸強(qiáng)度固定為33 MPa、夾矸厚度固定為240 mm進(jìn)行仿真分析。運(yùn)用ABAQUS后處理的功能,導(dǎo)出截齒的載荷數(shù)據(jù),得到不同牽引速度下截齒截割性能指標(biāo)如表3所示。

表3 不同牽引速度下截齒截割性能指標(biāo)

由表3可知,牽引速度在3 m/min工況下,截齒所受截割力的均值最大為14.10 kN;牽引速度在1 m/min工況下,截齒所受截割力的均值最小為4.43 kN.在牽引速度為3 m/min工況下,截齒所受截割力峰值均值最大為17.18 kN;牽引速度為1 m/min工況下,截齒所受截割力峰值均值最小,其值為5.24 kN.

4 結(jié) 語

應(yīng)用有限元軟件ABAQUS,根據(jù)單因素仿真方案,數(shù)值模擬不同截齒安裝角截齒截割含夾矸煤巖動(dòng)態(tài)過程,研究了截齒截割含夾矸煤巖的截割力變化規(guī)律,結(jié)果表明:

1) 截齒截割含夾矸煤層時(shí),截割力呈波動(dòng)式增加,載荷波動(dòng)較小;截齒截割?yuàn)A矸層時(shí),截割力發(fā)生激增,且載荷波動(dòng)比截割煤層大。

2) 隨著截齒安裝角的增大,截割力均值和截割力峰值均值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),當(dāng)截齒安裝角為45 °時(shí),截割力均值和峰值均值最小。

3) 隨著牽引速度增大,截齒截割力均值、截割力峰值均值呈增加趨勢(shì),該研究為調(diào)整截齒安裝角度來提高采煤機(jī)截割性能奠定了理論基礎(chǔ)。