基于LS-DYNA的采煤機(jī)滾筒仿真模擬*

黃秋來

(天地科技股份有限公司 上海分公司， 上海 200030)

0 引言

長期以來，采煤機(jī)滾筒設(shè)計方案評判,采煤機(jī)能適應(yīng)何種工況以及如何計算滾筒受力等問題都困擾著工程師，傳統(tǒng)的做法是參考《煤炭切削原理》[1]中的公式進(jìn)行計算，該計算公式是根據(jù)刀型齒切削研究建立起來的，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，因此在實際設(shè)計應(yīng)用中不理想。采用假煤壁的試驗方法,雖能獲取一定的真實數(shù)據(jù)，但性價比太低，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)行計算，得出的最高牽引速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于JOY采煤機(jī)的實際開采速度，因此傳統(tǒng)理論已經(jīng)失效。基于此，通過LS-DYNA建模，導(dǎo)入實際煤層賦存條件和運動參數(shù)，進(jìn)行滾筒截割動力學(xué)模擬分析，從而解決上述問題。

1 LS-DYNA建模求解

ANSYS中的LS-DYNA模塊是著名的非線性動力學(xué)分析軟件，能夠求解各種復(fù)雜顯式動力學(xué)問題如汽車高速碰撞、爆炸等[2]。在采煤機(jī)滾筒截割煤巖問題中可以將滾筒與煤壁的相互作用看作大范圍的瞬態(tài)鋼與煤單元的大位移、大應(yīng)變的幾何非線性求解問題。

運用LS-DYNA模塊模擬截割建模求解的流程見圖1所示，具體建模步驟如下。

圖1 LS-DYNA分析問題流程

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。為便于快速仿真計算，將模型從以下幾個方面進(jìn)行簡化：

(1) 齒座、齒套與滾筒體等簡化為一個零件，截齒作為獨立個體簡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ANSYS的經(jīng)典界面找到保存好的*.x_t導(dǎo)入即可；再通過菜單操作讓模型實體顯示。

3) 單元選擇。LS-DYNA有LINK160、BEAM161等9種常見三維單元，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，該單元類型適合劃分結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的形體；煤壁選用SOLID164實體單元，該單元類型對大變形計算速度非常快而且有效[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，用戶還可以通過接口自定義材料。由于自定義材料需要大量的實驗數(shù)據(jù)，難度較大，對企業(yè)來說成本相對較高，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，需要重點優(yōu)化[5]。通過大量現(xiàn)場觀察可知，實際滾筒截割時,大多數(shù)情況下是截齒參與接觸，滾筒體沒有直接截割，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候，需要分別先選用材料號再進(jìn)行劃分。

表1 網(wǎng)格劃分要求

6) 定義接觸及約束。滾筒割煤過程是滾筒自旋帶動截齒剝落煤壁并重復(fù)的過程，屬于面面接觸中的侵蝕接觸。在定義侵蝕接觸時，將滾筒體和截齒組元定義為一個組，在主動面中選擇截齒對應(yīng)的組元，從動面中選擇煤壁，再設(shè)置兩者之間的靜摩擦因數(shù)、動摩擦因數(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，對煤壁非截割接觸表面施加無反射邊界條件NONREFLECTING約束,對滾筒約束除平動和轉(zhuǎn)動外其它方向的運動。

7) K文件生成修改。通過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中無法修改和定義，因此需要參考LS-DYNA關(guān)鍵字手冊在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)實際煤層測得的主失效應(yīng)力(sigp1)在K文件中增加關(guān)鍵字MAT_ADD_EROSION來創(chuàng)建真實硬度煤層的模擬，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，定義滾筒運動方向；增加CURVE_TITLE關(guān)鍵字設(shè)置采煤機(jī)的牽引速度，具體設(shè)置見表4～表6。

表4 PRESCRIBED_MOTION_RIGID平動約束

表5 PRESCRIBED_MOTION_RIGID轉(zhuǎn)動約束

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

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

2 LS-DYNA仿真結(jié)果分析

通過預(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刻采煤機(jī)截割總受力，瞬時應(yīng)力云圖以及各截齒的受力波動狀態(tài)，從而優(yōu)化滾筒結(jié)構(gòu)設(shè)計、截齒排列以及預(yù)測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中打開計算生成的D3PLOT文件，選擇X方向的應(yīng)力選項如圖2所示。通過該云圖可以查看滾筒各結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，并對結(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)計的一個標(biāo)準(zhǔn)是載荷波動性，其實質(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，通過檢查波峰和波谷時段的各截齒受力，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) 滾筒各個截齒受力模擬模型。每個截齒受力及其大小也是衡量截齒布置合理性的一個重要參考因素。給每個截齒定義組元part，即相當(dāng)于將每個截齒上安裝傳感器，可獲取到即時受力情況，包括各分力及合力。圖4為4號截齒X方向的受力情況。

圖4 截齒波動系數(shù)

4) 計算基于實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動，在仿真模擬中，當(dāng)滾筒整體受力突然出現(xiàn)劇增的時刻，此時滾筒本體也參與截割，導(dǎo)致牽引方向阻力劇增，最終超過采煤機(jī)的牽引力，此時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截齒的載荷波動圖，分析結(jié)果與實際工況基本相符，驗證了模擬仿真的方向可行，為研究滾筒的實際工況模擬提供了方法和思路。但是該模擬方法基于真實的煤層條件模擬，對煤層材料的定義準(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。