截齒截割過程中應力疊加效果對截割載荷的影響

張 鑫，李 旭，高魁東，逯振國，曾慶良

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

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截齒截割過程中應力疊加效果對截割載荷的影響

張 鑫，李 旭，高魁東，逯振國，曾慶良

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

為了優化掘進機截割頭上截齒排布,進一步提高巷道掘進效率,研究了截割應力疊加作用下的截割載荷變化規律.使用動力學仿真軟件LS-DYNA建立了相鄰兩截齒截割數值仿真模型,利用HJC混凝土模型模擬巖石材料,分析了截齒以不同截齒間距破巖時的應力分布及截割力變化規律.結果表明:隨著截齒間距的增加,截齒作用下的應力疊加區域不斷減小,進給阻力平均峰值不斷增大;當截齒間距過大時,應力疊加現象消失,截齒的應力影響區相互獨立,進給阻力平均峰值達到最大且基本保持不變.

截齒; 掘進機; 有限元分析

隨著煤炭開采效率的提升,煤礦對巷道掘進速度的要求不斷提高.掘進機是巷道掘進機械化作業的重要機械[1],截割頭旋轉帶動截齒沖擊巖壁以實現對巖石的破碎.眾多學者對于截齒截割破巖過程做了大量研究,王崢榮等[2]利用有限元仿真分析,對比不同安裝角度時截割效率的變化規律,確定最優安裝角度.張艷林等[3]對掘進機單個截齒的破巖過程進行仿真研究,對比不同條件下的截齒受力與載荷波動,得到了截割力與截割角及截割速度的關系.張夢奇[4]建立了具有不同螺旋線數及螺旋升角的截割頭模型,分析轉動系數、截割牽引力等參數,發現3頭螺旋線截割頭適應性強,截割性能最佳.周游等[5]完成鎬形截齒的旋轉截割煤巖仿真,研究單個截齒截深與比能耗的關系以及截割阻力在不同切削角時的差異,得出截割力最小的截深與切削角.史德強等[6]統計了掘進機在掘進時的巖石抗壓強度和掘進速度,利用線性回歸分析,確定了合理的截割煤巖速度大小.現有的研究大多是以單個截齒的截割深度、侵入角度、齒尖錐角等作為研究對象進行巖石破碎研究,對截齒在截割頭上的排布參數(如螺線角度、安裝角度等)進行分析,少有文獻涉及多截齒截割過程中截割載荷研究.因此,為進一步優化截齒在截割頭上的排列,提高巖石破碎效率,分析多截齒相互影響下的應力分布及截割載荷特性尤為重要.

截齒侵入巖體后,在齒尖周圍出現應力影響區并伴隨著裂紋擴產生,巖石在剪切與拉伸的共同作用下出現破碎.如圖1(a)相鄰兩截齒間距較大,齒尖作用下的應力區域相互獨立,此時兩截齒在截割時沒有相互影響.隨著兩截齒間距的減小，如圖1(b)和圖1(c)截齒的作用應力范圍會有疊加區域,并且產生的裂紋擴展交錯在一起.巖石在兩個截齒的共同作用下,巖塊更加易于從巖體中破碎下來,截齒的截割載荷也會發生變化.不同的截齒間距,應力疊加區及截割載荷不同,由此,截齒間距是影響雙截齒截割性能的重要參數,以截齒間距為變量研究截割應力分布及其對截割載荷影響有重要意義,為截割頭截齒排布設計提供了新思路.

圖1 相鄰截齒截割示意圖

1 巖石材料本構模型

LS-DYNA是優秀的顯式動力學分析程序,可以分析各種復雜的破碎、碰撞等非線性問題.為解決具有高應變率特點的混凝土材料的大變形問題而提出的HJC(Holmquist-Johnson-Cook)模型是一種損傷本構模型[7].巖石材料與混凝土材料力學性能較為相似,因此,使用HJC材料對巖石破碎進行研究.HJC模型主要由強度方程、損傷演化方程、壓縮狀態方程3個方面組成.

強度方程即屈服面方程,反映了標準化等效應力與靜水壓力在不同損傷狀態下的關系,其表達式為

(1)

壓縮狀態方程為分段式的狀態方程,如圖2所示,描述了材料在壓縮過程中,其靜水壓力與體積應變兩者的關系.整個壓縮過程可以分為3個階段:線彈性變化、塑性變形、完全密實.

圖2 HJC狀態方程曲線

第1階段 靜水壓力小于壓碎壓力(P

(2)

(3)

式中:K為體積模量;μ為單元體積應變;Pc為壓碎壓力,MPa;μc為彈性極限體應變.

第2階段 靜水壓力介于壓碎壓力與壓實壓力之間(Pc

(4)

式中:μl為壓實應變;Pl為壓實壓力,單位為MPa.

第3階段 靜水壓力大于壓實壓力(Pl

(5)

材料損傷主要以等效塑性應變和塑性體積應變積累來定義,其損傷演化方程為

(6)

2 建立數值仿真模型

建立雙齒直線截割三維模型如圖3,模型由巖塊與相鄰的兩個截齒組成,為了節約運算時間,兩個截齒以齒尖部分作為簡化,巖塊的長、寬、高分別為155,60,45 mm,截齒截割深度8 mm,兩截齒同時沿y軸正向截割速度為2 m/s,截齒間距s分別取35,40,45,50,55,60 mm等6組數據進行仿真計算,用以研究不同截齒間距時巖石的應力分布規律及截割載荷特性.

圖3 相鄰齒截割模型示意圖

仿真分析中不需要考慮截齒的變形且截齒的彈性模量遠大于巖石材料的彈性模量,為簡化計算,提高求解運算速度,將截齒定義為剛體,同時,約束除y向移動以外的其他自由度,巖石材料使用HJC材料模型,主要的模型參數:密度1 520 kg/m3，剪切模量1 223 MPa，抗壓強度11.13 MPa.

巖石的單元類型選擇solid164單元類型.劃分網格的質量對求解質量有較大影響,因此,破碎區域以單元邊長1 mm劃分,而其他區域對運算結果影響較小,可以適當增加單元尺寸以減少單元數量提高運算速度.截齒與巖石為典型的侵徹問題,接觸類型選擇ERODING_SURFACE_TO_SURFACE,巖石為接觸面,截齒為目標面.為了防止剪切波與膨脹波對仿真結果的干擾,對巖塊除作為自由面的上表面外的其他5個面添加無反射邊界條件,以模擬真實工況中巖體無限大的特點.在完成單元與材料的類型設置、劃分網格、添加約束與載荷、設置接觸以及求解控制等后,建立的有限元模型如圖4所示.

3 仿真結果分析和討論

圖4 有限元模型

巖石在截齒的作用下,在齒尖的周圍會產生應力影響區域,如圖5為不同截齒間距時巖石等效應力分布.對比不同截齒間距時巖石上應力分布,不難看出,當截齒間距較小時,截齒的應力影響區域疊加在一起,間距越小,應力疊加區域越大,當截齒間距在50 mm以上時,截齒應力影響區無疊加現象出現,此時兩截齒截割相互獨立無相互影響.在靠近齒尖處應力較大,距離齒尖越遠應力逐漸減小.同時,還可以發現在靠近齒尖頂點處應力影響范圍較小,越靠近巖塊上作為自由面的上表面應力影響范圍越大.如圖6為截齒間距35 mm截割后巖石截槽,可以發現靠近自由面的截槽寬度較大,隨著深度增加,靠近齒尖頂點處截槽寬度變窄,截槽形狀與應力分布特點相一致.

截齒在直線截割巖石的過程中,受到的截割力包括沿x軸方向與巖塊上表面平行的側向力、沿y軸方向與截割方向相反的進給阻力、沿z軸方向與巖塊上表面垂直的法向力,3個力的合力為截割作用力.圖7為截齒間距為35 mm時截割作用力變化曲線以及巖塊體積變化曲線.從圖中可以發現,每一次截割作用力的峰值都會伴隨出現巖石體積階躍式的減少,出現巖石破碎崩落.截齒侵入巖石后,截齒進給截割巖石,截齒受到的作用力先是極快速增加到達某一峰值,這時巖石發生破碎,隨后截割作用力斷崖式下降并在0處保持,當截齒進給再次接觸到因巖石崩碎形成的新斷面時,一次新的破碎周期開始,反映出了巖石的破碎特點為躍進式破碎.

圖8為截齒間距為35 mm時,其中截齒1截割過程中受到的截割力變化曲線.從圖中看出,截齒在截割破巖的過程中,受到的進給阻力最大,法向力次之,側向力最小且在正、負方向隨機變化.在截齒所受的三向力中,進給阻力與截割作用力的波形和變化規律最為接近,且截齒在截割時主要是克服進給阻力.因此,在三向力中進給阻力是最為清晰地反映了截割特性.由于截齒截割時巖石的破碎呈現出躍進式破碎的特點,所以，截割力的峰值更能體現出截割載荷的規律,取截齒截割過程中一定量的進給阻力的動態峰值求平均值,得到進給阻力平均峰值,統計不同截齒間距時，兩個截齒的進給阻力平均峰值如表1所示.為了方便觀察進給阻力平均峰值的變化規律,做出其隨截齒間距變化的折線圖如圖9所示.

圖5 不同截齒間距應力云圖

圖6 截割后巖塊截槽

圖7 截割作用力與巖塊體積變化

圖8 截齒間距35 mm截割力曲線

表1 進給阻力平均峰值

圖9 進給阻力平均峰值變化

由圖9可以看出,隨著截齒間距的增加,進給阻力平均峰值先是增加,當間距達到50 mm以后,進給阻力平均峰值保持穩定,說明截割載荷隨著間距的增加而提高,當間距到達一定值后,間距不再對截割載荷有影響.結合上文中截齒以不同間距截割時應力分布變化規律,可以發現,隨著應力疊加區域變小,進給阻力平均峰值變大,當兩個截齒應力影響區相互獨立無疊加后,進給阻力平均峰值達到最大且基本保持不變.由此,可以發現應力疊加對截割載荷有重要的影響,應力影響區域的疊加,利于截齒截割巖石實現巖石破碎.

4 結語

煤礦巷道掘進速度落后于煤炭開采速度,一直以來是煤礦企業生產中需要關注的問題.本文對截齒截割過程進行動力學仿真,發現了不同截齒間距時的應力分布規律,截齒間距在一定范圍內存在應力疊加區.以進給阻力平均峰值反映截割載荷,得到了不同截齒間距下應力疊加對截割載荷的影響規律,為提高掘進機掘進效率,進一步優化掘進機截割頭上截齒排列設計提供了新思路和理論基礎.

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ZHANG Yanlin,YAN Binglei,CHEN E,et al. Dynamic analysis on conical pick cutting based on ANSYS/LS_DYNA[J]. Journal of Machine Design,2013,30(2):74-77.

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SHI Deqiang,LU Gang,QIN Shuaitao,et al. Analysis and research on cutting speed and fault tree of heading machine in fully mechanized heading face[J]. Coal Engineerng,2016,48(5):106-108.

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WU Xutao,LI Yao,LI Heping. Research on the material constants of the HJC dynamic constitutive model for concrete[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics,2010,27(2):340-344.

Influence of stress superposition effect on cutting load in picks cutting process

ZHANG Xin,LI Xu,GAO Kuidong,LU Zhenguo,ZENG Qingliang

(College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,Shandong,China)

In order to optimize the pick arrangement of cutting head of heading machine and further improve the efficiency of roadway drivage,study on the variation of cutting load under the action of cutting stress superposition was finished. The numerical simulation model of adjacent two picks cutting was established by the dynamic simulation software LS-DYNA. Using the HJC concrete model to simulate the rock material,stress distribution and cutting force variation were analyzed with different distance between picks. The results indicated that stress superposition area under the action of picks decreases and average peak value of feed resistance increases continuously with the increase of distance between picks. When the distance is too large,the stress superposition disappears,the stress affected zone of the picks is independent of each other and average peak value of feed resistance keeps constant basically.

pick; heading machine; finite element analysis

教育部創新團隊發展計劃滾動支持資助項目(IRT1266)；中國博士后面上基金資助項目(2016M592214)；山東省博士后創新項目專項資金資助項目(201603057)

張 鑫(1970—)，男，教授，博士.E-mail：zhangxinmt@163.com

TD 421.5

A

1672-5581(2017)02-0165-05