鎬型截齒不同截割速度對(duì)煤巖截割過(guò)程影響研究

劉晉霞，咸方新，張 超

(1.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590； 2.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

鎬型截齒具有齒身線條流暢、耐磨損等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于采煤機(jī)中。鎬型截齒煤巖截割過(guò)程中，其截割速度直接影響鎬型截齒壽命、滾筒裝煤效率以及采煤機(jī)工作效率等，因此研究鎬型截齒不同截割速度對(duì)煤巖截割過(guò)程的影響具有重要的實(shí)際意義。

目前，由于受到實(shí)際工作條件的限制，關(guān)于鎬型截齒截割速度對(duì)煤巖截割過(guò)程影響的研究，大多學(xué)者基于截割試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)及數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析。Muro等[1]以及李國(guó)華等[2]利用自制截割試驗(yàn)臺(tái)模擬了鎬型截齒不同等速截割煤巖的過(guò)程，分別得到不同截割速度對(duì)鎬型截齒壽命、截割效率以及比能耗的影響規(guī)律。應(yīng)用的數(shù)值模擬方法主要有有限元法與離散元法兩種；姬國(guó)強(qiáng)等[3]與杜鑫等[4]基于有限元數(shù)值模擬法，在ANSYS中模擬鎬型截齒不同等速截割煤巖時(shí)截齒的受力情況；賈嘉等[5]與史小軍[6]基于離散元數(shù)值模擬法，用PFC3D模擬鎬型截齒不同等速截割煤巖過(guò)程，分別得到截割比能耗及截割阻力隨截齒截割速度的變化規(guī)律。

以上鎬型截齒截割速度對(duì)截割過(guò)程影響的研究，均基于等速截割狀態(tài)進(jìn)行。然而，在采煤機(jī)實(shí)際工作中，鎬型截齒截割速度不僅隨采煤機(jī)牽引速度、滾筒角速度變化[7]，且在截割過(guò)程中也一直處于變化的狀態(tài)。由于離散元法在模擬煤巖破碎狀態(tài)、裂紋的萌生、擴(kuò)展等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)[8]，因此本研究基于離散元法，考慮采煤機(jī)牽引速度和滾筒角速度對(duì)截割速度的影響，建立不同截割速度的鎬型截齒煤巖截割模型，分析不同截割速度下截齒截割力以及煤巖內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的變化規(guī)律，從而得到截割速度對(duì)鎬型截齒截割煤巖過(guò)程的影響。

1 鎬型截齒截割煤巖過(guò)程的截割速度

1.1 截割速度計(jì)算

采煤機(jī)采煤時(shí)，鎬型截齒截割煤巖的過(guò)程如圖1所示。鎬型截齒以γ角安裝于滾筒上，形成的截割半徑為R。當(dāng)采煤機(jī)牽引速度為vq、滾筒角速度為ω時(shí)，形成鎬型截齒沿截割軌跡切線方向的截割速度va，可由式(1)計(jì)算得到[9]。坐標(biāo)系xOy固定于滾筒軸心，x軸指向采煤機(jī)牽引運(yùn)動(dòng)方向；O、O1點(diǎn)分別為鎬型截齒開(kāi)始截割煤巖的瞬間以及旋轉(zhuǎn)截割一周期后滾筒軸心的位置。1、2為鎬型截齒截割一個(gè)周期前、后的截割軌跡，由式(2)、式(3)計(jì)算[10]。

圖1 鎬型截齒煤巖截割過(guò)程Fig. 1 Cutting process of conical pick

(1)

(2)

(3)

式中：t為截割時(shí)間；T為截割周期，T=2π/ω；H為進(jìn)給量，H=2πvq/ω；m為滾筒上同一截線的截齒數(shù)，本研究基于單齒截割過(guò)程進(jìn)行，因此假設(shè)m=1。

1.2 截割過(guò)程中截割速度的變化

由式(3)可知，截割速度va不僅與采煤機(jī)牽引速度vq與滾筒角速度ω、截割半徑R有關(guān)，而且還隨截割過(guò)程t變化。在實(shí)際工作過(guò)程中，為滿足采煤效率以及裝煤能力，采煤機(jī)牽引速度vq及鎬型截齒截割速度va一般分別控制在1～6 m/min和2～4 m/s[11-12]。設(shè)鎬型截齒的安裝角為45°，取截割半徑R為0.5 m，將牽引速度、滾筒角速度所表征的截割速度在以上范圍內(nèi)按等差方式取值，以得到不同截割參數(shù)下截割過(guò)程中其截割速度變化規(guī)律。按表1所示采煤機(jī)牽引速度vq與滾筒角速度ω分別計(jì)算牽引速度與滾筒角速度對(duì)鎬型截齒截割過(guò)程中截割速度的影響情況，如圖2所示。下文所述速度序號(hào)均與表1對(duì)應(yīng)。

表1 鎬型截齒截割速度選取Tab. 1 Selection of cutting speed of conical pick

圖2 截割過(guò)程中截割速度隨牽引速度、滾筒角速度的變化Fig. 2 Changes of cutting speed with traction speed and drum angular velocity in the cutting process

由圖2可知，鎬型截齒在截割過(guò)程中，截割速度總體呈非線性減小趨勢(shì)，且在T/4時(shí)刻減小速率最快；由表1中序號(hào)1、2、3不同參數(shù)下的變化曲線可知隨牽引速度的增加，其非線性增強(qiáng)。當(dāng)牽引速度為6 m/min時(shí)，截割速度在截割過(guò)程中的變化可達(dá)0.2 m/s以上；由表1中序號(hào)4、1、5的變化曲線可知隨滾筒速度增加，截割速度明顯增大。

2 鎬型截齒煤巖截割模型

2.1 鎬型截齒模型的選取及建立

選擇U94型鎬型截齒作為煤巖模型截割工具，其外形如圖3(a)所示，使用CAD軟件畫其外輪廓如圖3(b)所示。

圖3 U94鎬型截齒及外輪廓尺寸Fig. 3 Conical pick U94 and its external dimension

2.2 煤巖樣品的三軸壓縮模擬試驗(yàn)

根據(jù)高為100 mm、直徑為50 mm的煤巖樣品，在10和20 MPa圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線[13]，利用PFC內(nèi)嵌的FISH語(yǔ)言編寫顆粒流程序模擬該壓縮試驗(yàn)過(guò)程，設(shè)置煤巖顆粒力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表2[14]。

表2 煤巖顆粒力學(xué)參數(shù)Tab. 2 Mechanical parameters of coal rock particles

為更加接近煤巖的力學(xué)性質(zhì)，選擇平行黏結(jié)模型模擬煤巖模型中顆粒間的接觸方式。在煤巖模型中，選取的顆粒半徑越小，越能真實(shí)反映煤巖樣品的宏觀力學(xué)性質(zhì)；但半徑過(guò)小，會(huì)造成顆粒數(shù)量過(guò)多，影響仿真效率。根據(jù)模型最小幾何尺寸方向的顆粒數(shù)不應(yīng)小于20的要求[15]，顆粒半徑范圍確定為1.6～2.6 mm。

對(duì)試驗(yàn)過(guò)程煤巖模型的各黏結(jié)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，最終使模擬壓縮試驗(yàn)與文獻(xiàn)[13]試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線重合度達(dá)到95%以上。以圍壓為10 MPa為例的三軸壓縮模擬試驗(yàn)，模型內(nèi)部各階段裂紋形成如圖4所示。模擬試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)曲線對(duì)比如圖5所示，此時(shí)煤巖模型的黏結(jié)參數(shù)見(jiàn)表3。

圖4 三軸壓縮模擬試驗(yàn)過(guò)程各階段裂紋形成Fig. 4 The formation of cracks during the triaxial compression simulation test

圖5 三軸壓縮及模擬試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比Fig. 5 Comparison of stress-strain curves between triaxial compression and simulation test

表3 煤巖顆粒微觀黏結(jié)參數(shù)Tab. 3 Micro bonding parameters of coal rock particles

2.3 煤巖截割模型的建立

根據(jù)滾筒截割半徑R確定煤巖的宏觀尺寸，長(zhǎng)、高分別為800、1 300 mm，并由表2～3煤巖顆粒力學(xué)和黏結(jié)參數(shù)，建立煤巖宏觀幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)式(2)及表1截割參數(shù)計(jì)算得到截齒截割表面。將鎬型截齒外輪廓CAD圖形導(dǎo)入PFC中，建立鎬型截齒煤巖截割模型。為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，模型建立過(guò)程中假設(shè)煤巖截割過(guò)程為單齒截割，且在截割過(guò)程中截齒無(wú)磨損；同時(shí)假設(shè)煤巖為均質(zhì)煤巖，截割過(guò)程中煤巖受到鎬型截齒截割作用發(fā)生脆性斷裂，鎬型截齒煤巖截割模型如圖6所示，圖中藍(lán)色區(qū)域即為煤巖體。

圖6 鎬型截齒煤巖截割模型Fig. 6 Model of cutting coal rock of conical pick

3 鎬型截齒煤巖截割過(guò)程仿真

表1中5種截割速度下，鎬型截齒截割煤巖模擬過(guò)程大致相同。以表1序號(hào)1參數(shù)為例，其截割過(guò)程如圖7所示。圖7(a)～7(i)分別表示鎬型截齒在接觸到煤巖的瞬間及截割至7°、25°、50°、75°、90°、115°、140°、165°、180°時(shí)的煤巖破碎狀態(tài)，綠色、紅色分別為拉伸、剪切裂紋。由圖7可知，在鎬型截齒接觸到煤巖瞬間，沒(méi)有煤屑形成及脫落，而齒尖周圍出現(xiàn)極少量拉伸、剪切裂紋；截割至25°時(shí)，有少量煤屑及裂紋形成；截割至50°～90°階段時(shí)，大量的小塊煤屑形成并崩落，出現(xiàn)大量拉伸、剪切裂紋；截割至115°～180°階段時(shí)，出現(xiàn)大量大塊煤屑及拉伸、剪切裂紋。綜上可知，鎬型截齒截至0°～90°階段時(shí)，形成的煤屑以小塊為主；當(dāng)鎬型截齒截過(guò)90°后，形成的煤屑以大塊為主。

4 不同截割速度的鎬型截齒截割力

4.1 截割力在截割過(guò)程中的變化

表1中5種截割速度時(shí)鎬型截齒截割力在截割過(guò)程中的變化如圖8中黑色線所示。在接觸煤巖瞬間產(chǎn)生一個(gè)超過(guò)4 kN(圖8中4 kN以上數(shù)據(jù)未顯示)的大幅脈沖，在整個(gè)截割過(guò)程中呈無(wú)規(guī)則波動(dòng)，與文獻(xiàn)[16]單齒截割試驗(yàn)中截割力波動(dòng)頻率相似；對(duì)截割力曲線進(jìn)行二階擬合(紅色曲線)，擬合曲線在不同截割速度的變化趨勢(shì)與文獻(xiàn)[17]一致。進(jìn)一步分析圖8可發(fā)現(xiàn)，在截齒截割至約90°之后，頻繁出現(xiàn)局部截割力明顯降低的特點(diǎn)，推測(cè)其原因可能是在T/4時(shí)刻前后截割速度明顯下降，造成煤屑在脫落前產(chǎn)生堆積，當(dāng)大塊煤屑脫落時(shí)，截割力出現(xiàn)明顯的降低現(xiàn)象。

圖8 截割力在不同截割速度截割過(guò)程中的變化Fig. 8 Changes of cutting force with various cutting speeds in the cutting process

4.2 不同截割速度時(shí)截齒截割力的統(tǒng)計(jì)

忽略鎬型截齒接觸煤巖瞬間產(chǎn)生的大幅脈沖，統(tǒng)計(jì)不同截割速度的截割力變化，見(jiàn)表4。由表4可知，當(dāng)牽引速度、滾筒角速度最大時(shí)，鎬型截齒在截割過(guò)程中的截割力均值、峰值及波動(dòng)分別最大、最小。

表4 不同截割速度截割過(guò)程中的截割力統(tǒng)計(jì)Tab. 4 Statistics of cutting force with various cutting speeds in the cutting process N

由表4中序號(hào)1、2、3截割力統(tǒng)計(jì)參數(shù)可知，滾筒角速度一定時(shí)，截割力均值、峰值及最大波動(dòng)均隨牽引速度的增加而增大。由表4中序號(hào)4、1、5截割力統(tǒng)計(jì)參數(shù)可知，牽引速度一定時(shí)，截割力均值及其最大波動(dòng)均隨滾筒角速度的增大而減小，其峰值呈無(wú)規(guī)律波動(dòng)，但相差不大。由此可知在一定牽引速度下，提高滾筒角速度可改善截齒的受力情況。

5 不同截割速度的裂紋數(shù)量生成

5.1 裂紋數(shù)量在截割過(guò)程中的變化

表1所示5種截割速度時(shí)生成的裂紋數(shù)量在截割過(guò)程中的變化如圖9所示。由圖9可知，拉伸、剪切裂紋在不同截割速度的截割過(guò)程中均近似線性增加，且拉伸裂紋數(shù)量波動(dòng)更為明顯。進(jìn)一步分析圖9可知，當(dāng)牽引速度、滾筒角速度分別增大時(shí)，鎬型截齒煤巖截割過(guò)程中的拉伸、剪切裂紋數(shù)量的波動(dòng)分別增多、減少。

圖9 裂紋數(shù)量在不同截割速度截割過(guò)程中的變化Fig. 9 Changes of crack number with various cutting speeds in the cutting process

5.2 不同截割速度時(shí)生成裂紋數(shù)量統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)不同截割速度截割過(guò)程中的裂紋數(shù)量變化，見(jiàn)表5。由表5可知，當(dāng)牽引速度、滾筒角速度最大時(shí)，在鎬型截齒截割過(guò)程中生成的裂紋數(shù)量分別最大、最小。

表5 裂紋數(shù)量在不同截割速度截割過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)Tab. 5 Statistics of crack number with various cutting speeds in the cutting process

由表5中序號(hào)1、2、3裂紋數(shù)量統(tǒng)計(jì)可知，滾筒角速度一定時(shí)，拉伸、剪切裂紋數(shù)量均隨牽引速度的增大而增加。由表5中序號(hào)4、1、5裂紋數(shù)量統(tǒng)計(jì)可知，牽引速度一定時(shí)，拉伸、剪切裂紋數(shù)量均隨滾筒角速度的增大而減小。

結(jié)合表4中序號(hào)1、2、3及表5中序號(hào)1、2、3推斷，隨牽引速度的線性增加，截割力均值及產(chǎn)生的裂紋數(shù)量均非線性增加，截割比能耗也隨之呈非線性減小趨勢(shì)。

6 結(jié)論

主要研究了鎬型截齒截割速度對(duì)煤巖截割過(guò)程的影響，主要考慮牽引速度、滾筒角速度對(duì)截割速度的影響，利用PFC建立不同截割速度的煤巖截割模型，模擬鎬型截齒煤巖截割過(guò)程。得出如下結(jié)論：

1) 鎬型截齒在截割過(guò)程中，其截割速度總體呈非線性減小趨勢(shì)。滾筒角速度一定時(shí)，隨牽引速度的增大，截割速度的非線性減小趨勢(shì)增強(qiáng)；牽引速度一定時(shí)，截割速度隨滾筒角速度的增大而明顯增大。

2) 鎬型截齒截割過(guò)程中截割力均值、峰值及最大波動(dòng)均隨牽引速度、滾筒角速度的增加分別增大、減小。在一定牽引速度下，提高滾筒角速度可改善截齒的受力情況。

3) 截割過(guò)程中產(chǎn)生的拉伸、剪切裂紋均隨牽引速度、滾筒角速度的增加分別增大、減小，且截割力均值及產(chǎn)生的裂紋均隨牽引速度的線性增加而呈非線性增加。滾筒角速度一定時(shí)，增大牽引速度可降低截割比能耗。