復(fù)雜煤層條件下采煤機破煤過程的可靠性研究

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 2.中鐵電氣工業(yè)有限公司保定鐵道變壓器分公司，河北 保定 071051)

采煤機是綜采工作面最重要的設(shè)備之一，其螺旋滾筒作為采煤機的工作機構(gòu)，承擔(dān)著破煤和裝煤兩大任務(wù)。截割性能優(yōu)良的螺旋滾筒對于提高煤炭開采效率至關(guān)重要[1]。目前，許多專家學(xué)者建立了復(fù)雜煤層條件下螺旋滾筒的力學(xué)模型，給出了復(fù)雜煤層下采煤機滾筒載荷的模擬算法[2-5]；對截割單一賦存條件下煤層和均勻性質(zhì)煤體的過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，并得到了螺旋滾筒結(jié)構(gòu)參數(shù)與運動參數(shù)對采煤機截割性能的影響[6-9]，對螺旋滾筒的研究提供了指導(dǎo)意義。但利用理論公式計算螺旋滾筒外載荷時，人為對各參數(shù)的取值會帶來誤差，本文所述方法能將復(fù)雜煤層條件下螺旋滾筒的破煤過程可視化，并且直接得到截割對象由煤到巖變化時截齒與煤巖耦合模型的應(yīng)力云圖，通過獲取的復(fù)雜煤層條件下螺旋滾筒的外載荷加載到動力學(xué)仿真軟件中對采煤機整機進(jìn)行可靠性研究十分必要。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與虛擬樣機技術(shù)的結(jié)合[10-12]，運用動力學(xué)仿真軟件獲得采煤機關(guān)鍵零件的等效應(yīng)力值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)樣本對其進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，以獲得高精度低誤差的采煤機設(shè)計參數(shù)，更高效、準(zhǔn)確地找到可使采煤機可靠性到達(dá)最優(yōu)的牽引速度。

1 有限元模型的建立

1.1 三維實體模型的建立及網(wǎng)格劃分

以某型薄煤層采煤機滾筒為研究對象，部分設(shè)計參數(shù)為：滾筒直徑為800 mm，截割深度為600 mm，轉(zhuǎn)速為80 r/min。為便于研究螺旋滾筒的截煤效果，煤壁模型假設(shè)已經(jīng)截割出與滾筒外包絡(luò)面形同的自由面，以兗州煤業(yè)集團(tuán)楊村礦17層煤為工程對象，石灰?guī)r夾矸1～2層，厚度0.2～1.26 m，平均厚度為0.7 m。根據(jù)含夾矸煤層的特點，建立被截割厚度為0.7 m巖石的煤巖耦合模型，為縮短仿真時間，在保證煤巖良好的破碎效果下，將螺旋滾筒的筒轂、螺旋葉片、齒座、端盤等建成一體，截齒由硬質(zhì)合金頭、齒體組成。利用Pro/E軟件對采煤機零件滾筒和采煤機整體進(jìn)行三維實體建模，再將這些模型在軟件中進(jìn)行整合并進(jìn)行虛擬裝配，利用軟件接口將其導(dǎo)入到ANSYS中。煤巖耦合模型均采用八節(jié)點SOLID164單元，為了更符合實際煤層和仿真的需要，煤與夾矸接觸表面需要分區(qū)域劃分。由于螺旋滾筒結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用四面體自由劃分，控制好網(wǎng)格的疏密，截齒形狀相對螺旋滾筒簡單，為了更好地分析截齒載荷特性和可靠性，要盡量劃分出高質(zhì)量的網(wǎng)格。可人為進(jìn)行線切割、連接等操作，采用映射和掃掠的方式對合金頭和齒柄進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分好的有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

1.2 煤巖參數(shù)的測定

綜合煤巖的破碎特點及本構(gòu)關(guān)系，煤壁模型定義成LS-DYNA中的*MAT-DRUCKE-PRAGER材料模型，材料失效用關(guān)鍵字*MAT_ADD_EROSION定義，煤巖參數(shù)準(zhǔn)確與否直接影響著仿真結(jié)果的可靠性，需要對兗州煤業(yè)集團(tuán)楊村礦17層煤巖所取得煤礦試樣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化測試得出其煤巖的物理力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)煤巖割理形態(tài)，選擇DQ-1型巖石切割機將煤巖平行切割為近似長方形，通過切割得到的煤巖試樣進(jìn)行試驗，主要開展硬度塑性系數(shù)試驗、煤巖單軸、三軸抗壓、抗拉強度測試，將WDW-100E型微機控制電子試驗機，結(jié)合到計算機上，測試切割試樣的不同方向的力學(xué)參數(shù)，包括單軸抗壓強度、三軸抗壓強度、彈性模量和泊松比等，以及物理性質(zhì)參數(shù)。通過試驗得到試樣系數(shù)從而得到此煤巖的各項參數(shù)。夾矸煤樣本及部分測試系統(tǒng)，如圖2所示。煤巖體材料參數(shù)如表1所示，螺旋滾筒材料參數(shù)如表2所示。

圖2 夾矸煤樣本及部分測試系統(tǒng)

材料名稱密度/kg·m-3彈性模量/MPa泊松比μ凝聚力/MPa內(nèi)摩擦角/(°)抗壓強度/MPa堅固系數(shù)f煤1.32e341120.231.45585.231.9夾矸2.40e376700.211.53842.75.4

表2 螺旋滾筒材料參數(shù)

1.3 煤巖耦合模型的實現(xiàn)

采用關(guān)鍵字*CNSTRND_TIEBREAK來定義煤壁與頂板巖石的固連失效。對于滾筒的材料類型的選擇，為了研究復(fù)雜煤層賦存條件下滾筒截割性能及其動力傳遞規(guī)律，筒轂、葉片、端盤、齒座、截齒材料類型均為*MAT_ELASTIC彈性體模型；而方頭只起到固定作用，并未參與破煤，因此可選為*MAT_RIGID剛性體材料。合金頭與齒體、齒座與筒轂之間分別利用關(guān)鍵字*CNSTRND_SPOTWELD定義焊點連接。齒座與齒柄通過關(guān)鍵字*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET連接。本次仿真螺旋滾筒需要施加進(jìn)給運動和轉(zhuǎn)動(X正向為進(jìn)給方向，沿Z旋轉(zhuǎn)，Y的負(fù)向為重力方向)。按照表3對滾筒的有限元模型加載。對接觸和輸出文件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，保存成K文件，最后調(diào)入LS-DYNA/SOLVER進(jìn)行求解。

表3 截割工況

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 煤巖塑性域分析

以截割頂板煤巖耦合模型為例，對煤巖的塑性域進(jìn)行研究，截割過程中煤巖應(yīng)力云圖及塑性區(qū)域分布如圖3所示。由圖3(a)可以得到，葉片上的一個截齒開始與煤巖接觸，使煤巖發(fā)生塑性變形，單個截齒所接觸的煤巖單元的塑性域很小，當(dāng)接觸力達(dá)到其抗壓強度時，煤炭局部單元開始被壓碎破壞，即煤炭應(yīng)力達(dá)到5.2 MPa出現(xiàn)崩落；由圖3(b)可以得到，葉片上一個截齒正好截割到煤巖混合界面，煤巖應(yīng)力突然達(dá)到55.4 MPa(巖石抗壓強度為52 MPa)，應(yīng)變區(qū)域面積很大，說明在煤巖混合界面附近的單元出現(xiàn)明顯的破碎崩落；隨著滾筒的旋轉(zhuǎn)與前進(jìn)，與煤巖接觸的截齒數(shù)量不斷增加。圖3(c)可以得到，有將近10個截齒參與截割煤巖，煤-巖耦合區(qū)域應(yīng)變面積很大，說明除與截齒接觸部分的單元產(chǎn)生大量崩落外，同時煤巖界面附近單元也產(chǎn)生局部破碎失效；通過觀察整個截割過程，截割處于穩(wěn)定狀態(tài)，煤巖塑性域在不斷增大并形成帶狀分布，并充滿了煤巖模型的內(nèi)表面。

2.2 螺旋滾筒工作載荷分析

在輸出的二進(jìn)制文件中可查看螺旋滾筒的載荷譜，由于篇幅有限只選取了工況2、5、8進(jìn)行說明，3種工況載荷曲線如圖4所示。由圖4分析可得，從載荷曲線整體變化趨勢來看，截齒破煤過程是小碎屑煤粉崩落與大塊煤屑從煤巖體上交替崩落的過程。在各自崩落之間的時間內(nèi)，隨著截齒的運動，同時壓碎接觸處的煤巖，壓碎瞬間使切削力增大，而隨著小塊碎屑的崩落，產(chǎn)生大塊煤屑并排出，這將使切削力驟降，進(jìn)而產(chǎn)生了非線性載荷。這個結(jié)論與經(jīng)典的破煤理論是一致的，因此也證實了模擬結(jié)果的可靠性。載荷滾筒所受的三向力數(shù)值關(guān)系是：3種工況均為截割阻力(Z向)最大，其次是牽引阻力(X向)，側(cè)向力(Y方向)最小。但是在截割底板工況中則表現(xiàn)出牽引阻力最大，其次是截割阻力，側(cè)向力最小。這是由于截割底板時，滾筒在X向上受力增大，即牽引方向上載荷變大，再加上滾筒有一定臥底量，導(dǎo)致其牽引方向上的摩擦阻力變大。在3種工況中，同時截割頂、底板工況三向力及合力都是最大值，這是由于截割頂、底板，單位時間內(nèi)參與截割巖石的截齒增多，截齒受力變大，截齒磨損較嚴(yán)重。由3種工況的合力可知截割頂板時的合力與截割底板的合力相加不等于截割頂?shù)装宓暮狭Γf明這3種工況沒有直接聯(lián)系。雖然同時截割頂?shù)装骞r的載荷均值最大，但是三向力及合力的波動系數(shù)均小于其他3個工況。這是由于截割頂?shù)装鍟r，滾筒在頂部和底部均收到強烈載荷，形成平衡，從而使載荷波動變小。

圖3 煤巖應(yīng)力云圖

圖4 不同工況下螺旋滾筒的瞬時載荷

3 采煤機關(guān)鍵零件可靠性分析

3.1 螺旋滾筒可靠性分析

圖5、圖6所示分別為合金頭與齒體截割煤巖時應(yīng)力分布。在圖5中能看出，齒尖的局部接觸區(qū)域集中體現(xiàn)了合金頭的最大應(yīng)力，在前刀面及其兩側(cè)其應(yīng)力呈現(xiàn)非對稱性分布，體現(xiàn)了合金頭呈現(xiàn)非對稱性磨損，因此表明合金頭以磨損失效為主。由于長期處于高應(yīng)力狀態(tài)下，使得合金頭在截割過程中迅速磨鈍，截齒磨鈍后會大幅度地增加其工作機構(gòu)的截割阻力，使得采煤機整機的工作性能受到影響。前刀面兩側(cè)所受應(yīng)力明顯比位于齒尖處所受應(yīng)力小。在圖6中，齒體應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于合金頭的應(yīng)力值，并且其高應(yīng)力基本集中于其頂端及前刃面、齒柄頭部的軸肩處。但是壓力波動不同，在齒體錐段前刃面的應(yīng)力波動比較平穩(wěn)；在齒柄頭部的軸肩處波動比較大，齒體有可能由于應(yīng)力過大發(fā)生斷裂。由表4可知，工況9中齒體以及合金頭受到的應(yīng)力最大，這是由于此工況同時截割頂、底板，參與截割巖石的截齒在單位時間內(nèi)增多，同時受到的載荷變大，進(jìn)而導(dǎo)致截齒的應(yīng)力變大，并且隨著牽引速度的增加，參與截割截齒的齒體和合金頭的應(yīng)力都有不同幅度的上升。

螺旋滾筒在截割煤巖時的應(yīng)力分布如圖7所示。螺旋滾筒上的應(yīng)力主要集中于工作截齒的齒座根部，并且端盤上齒座受到的應(yīng)力明顯大于葉片上齒座受到應(yīng)力，截割巖石的截齒齒座大于其他工作截齒齒座的應(yīng)力，并且螺旋滾筒上其他部位的應(yīng)力遠(yuǎn)小于工作截齒的齒座根部的應(yīng)力。齒座與截齒受到的應(yīng)力變化規(guī)律很相似，這主要是由于截齒齒座本身結(jié)構(gòu)所決定，同時體現(xiàn)了截齒齒座的根部是滾筒上的薄弱位置。因此，齒座根部容易以損傷、破壞斷裂等失效形式出現(xiàn)問題。

圖5 合金頭的應(yīng)力

圖6 齒體的應(yīng)力

工況合金頭應(yīng)力值σ/MPa合金頭安全系數(shù)齒體應(yīng)力值σ/MPa齒體安全系數(shù)11119.571.877765.482.54721209.561.723812.572.32331321.831.598872.302.09841161.431.799789.051.86551271.121.560837.581.73861411.871.478884.671.30171261.211.694854.511.76381371.541.572905.841.49791489.611.316951.041.208

3.2 采煤機搖臂殼體及輸出軸可靠性

3.2.1 剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕?/p>

利用三維建模軟件Pro/E建立采煤機完整三維模型，為確保模型裝配的準(zhǔn)確性，并對整機模型進(jìn)行干涉檢查。再將模型通過Mechanism/Pro接口軟件導(dǎo)入到ADAMS中，并添加零件相關(guān)的DOF約束和設(shè)置零件密度、材料等，同時運行ADAMS軟件完成柔性件替換，以及通過ANSYS軟件完成中性(mnf)文件的建立，最后驗證冗余約束是否存在于模型之中。動態(tài)載荷通過LS_DYNA軟件仿真得到并將數(shù)據(jù)樣條曲線以TXT文本形式導(dǎo)入到ADAMS中進(jìn)行加載，再設(shè)置仿真參數(shù)，完成仿真計算。如圖8是采煤機整機剛?cè)狁詈咸摂M樣機模型。

圖7 齒座與葉片的應(yīng)力云圖分布

圖8 采煤機剛?cè)狁詈咸摂M樣機模型

3.2.2 殼體及行星架的可靠性分析

由表5可得，工況9采煤機搖臂殼體受到應(yīng)力值最大，這是由于同時截割頂?shù)装鍟r采煤機所受的牽引阻力和截割阻力最大，致使采煤機殼體受到的負(fù)載變大，并且隨著牽引速度的增加，搖臂殼體應(yīng)力均有不同程度的增加。由圖9可見，采煤機在截割煤壁過程中，截割部殼體位于截割部殼體與調(diào)高油缸相連接的下耳處，同時在上耳附近處及電機軸的下部開口處應(yīng)力值也較大。這是由于滾筒截割過程中，其所受軸向力過大，導(dǎo)致在耳部連接處呈現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖9 截割部殼體應(yīng)力分布云圖

工況殼體應(yīng)力值σ/MPa殼體安全系數(shù)行星架應(yīng)力值σ/MPa行星架安全系數(shù)1125.973.751304.342.8102136.283.508313.812.7363140.403.172330.962.5414151.832.594318.272.6505164.022.330334.122.4216173.312.228346.082.3777196.142.107339.672.4108210.981.764368.952.3459246.721.692389.162.217

由表5可得，工況9截割部行星機構(gòu)所受的應(yīng)力最大，這是由于同時截割頂?shù)装鍟r采煤機所受的截割阻力最大導(dǎo)致采煤機截割部行星機構(gòu)所受的轉(zhuǎn)矩變大，并且隨著牽引速度的增加，搖臂殼體應(yīng)力均有不同程度的增加。由圖10可見，截割部行星架在截割過程中的高應(yīng)力區(qū)域主要位于行星架與行星軸連接處和輸出端花鍵根部；同時，行星架花鍵處的主應(yīng)力明顯大于其他部位的主應(yīng)力。在截割煤巖時產(chǎn)生的沖擊載荷不僅使得行星架承受較大扭矩，而且會造成行星輪的承載結(jié)構(gòu)行星軸受力較為惡劣。

圖10 截割部行星架主應(yīng)力分布云圖

3.3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性預(yù)測

當(dāng)采煤機牽引速度發(fā)生變化時，參與截割截齒的切削厚度在單位時間內(nèi)將產(chǎn)生變化，進(jìn)而截齒受到的載荷發(fā)生改變，然后滾筒的受力也會產(chǎn)生變化，并影響了采煤機截割部行星架及殼體的應(yīng)力，因此牽引速度的變化對采煤機關(guān)鍵零件可靠性有重要作用，必須找到牽引速度的最佳值。

Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相較于前向型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有可適應(yīng)時變性的特點。在每次迭代進(jìn)行中，誤差可被反向傳播以確保每次迭代的精度，Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如圖11所示。

Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在非線性狀態(tài)空間的表示：

y(k)=g(w3x(k))
x(k)=f(w1xc(k-1)+w2u(k-1))
xc(k)=x(k-1)

圖11 Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型圖

式中,y(k)為m維輸出節(jié)點向量；x(k)為n維隱含層的節(jié)點單元向量；u(k-1)為r維輸入向量；xc(k-1)為n維反饋狀態(tài)向量；w1為隱含層到輸出層的連接權(quán)值；w2為輸入層到隱含層的連接權(quán)值；w3為連接層到隱含層的連接權(quán)值；g(k)為輸出神經(jīng)元傳遞函數(shù)，是隱含層的輸出線性組合；f(k)為隱含層神經(jīng)元傳遞函數(shù)。

Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的誤差計算為誤差平方和函數(shù)，其表達(dá)式為

基于采煤機虛擬樣機剛?cè)狁詈戏抡妫玫讲煌瑺恳俣认陆馗畈啃行羌芗敖佚X的等效應(yīng)力，以截割部行星架及截齒的等效應(yīng)力作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量X1=(x1，x2)，牽引速度為輸出量Y1=(y1)，建立應(yīng)力與牽引速度的映射關(guān)系。

通過虛擬樣機剛?cè)狁詈戏抡娴玫降臉颖荆贛atlab中設(shè)計Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序，學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.01，設(shè)置目標(biāo)誤差為1e-10，反饋層設(shè)置為tansing神經(jīng)元，輸出層為purelin神經(jīng)元。經(jīng)過Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，截割頂板工況采煤機牽引速度為輸出量的誤差、梯度和學(xué)習(xí)率如圖12所示。

圖12 均方誤差、梯度以及學(xué)習(xí)率圖

由圖12可得，迭代92次后測試精度達(dá)到6.87384e-6，梯度為5.37218e-04，學(xué)習(xí)率達(dá)到0.0054681，截割頂板工況最優(yōu)牽引速度為3.01175 m/min，根據(jù)實際工況要求選取最優(yōu)牽引速度為3.0 m/min。同理，截割底板工況迭代104次后測試精度達(dá)到6.95347e-6，梯度為5.23657e-04，學(xué)習(xí)率達(dá)到0.005513，截割底板工況最優(yōu)牽引速度為2.85071 m/min，根據(jù)實際工況要求選取最優(yōu)牽引速度為2.8 m/min；截割頂?shù)装骞r迭代116次后測試精度達(dá)到6.97422e-6，梯度為5.26384e-04，學(xué)習(xí)率達(dá)到0.005597，截割頂板工況最優(yōu)牽引速度為2.63182 m/min，根據(jù)實際工況要求選取最優(yōu)牽引速度為2.6 m/min。

4 結(jié)束語

本文所述方法能將復(fù)雜煤層條件下螺旋滾筒的破煤過程可視化，并且直接得到截割對象由煤到巖變化時截齒與煤巖耦合模型的應(yīng)力云圖，為獲取復(fù)雜煤層條件下螺旋滾筒的外載荷提供了新的途徑。基于虛擬樣機技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的仿真結(jié)果，截割頂板工況最優(yōu)牽引速度為3.0 m/min，截割底板工況最優(yōu)牽引速度為2.85 m/min，其結(jié)果為采煤機的設(shè)計與優(yōu)化提供參考。