含夾矸煤巖截齒安裝角對截割力的影響研究

任春平,張訓洪,趙中旭

(黑龍江科技大學 機械工程學院,黑龍江 哈爾濱 150022)

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

綜上所述,國內外大多學者對截割力的研究以改變運動參數與求解方法居多,對含夾矸煤層研究較少,未考慮不同截齒安裝角度對截齒截割含夾矸煤巖截割力的影響。因此,針對復雜煤巖工況,本文采用數值模擬的方法,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截齒截割力的影響規律。

1 截齒-煤巖有限元耦合模型的建立

根據數值模擬要求,采用Pro/E建立截齒與煤巖的三維模型,另存為.step格式,再導入到ABAQUS中,設置截齒與煤巖的材料參數[14],調整截齒和煤巖的相對位置與角度進行裝配,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格屬性并劃分網格,為在數值模擬中提高計算精度,用掃略式劃分煤巖,細化煤巖和截齒直接接觸區域的網格。無限元在仿真過程中可以吸收應力波,避免固定邊界上反射的應力波重新進入模型并參與計算,無限邊界部分應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。截齒采用自由法對其進行網格劃分,網格單元的類型選用六面體。

為了使模擬過程更加接近真實截割狀態,將截齒設定為剛體,截齒與煤巖的法向接觸為硬接觸,煤巖的兩側面設定為無限元邊界。為了避免仿真過程中煤巖受力后產生位移,在載荷模塊中,對煤巖的外圓弧面施加完全固定,限制煤巖整體的位移,對截齒設定位移和轉角參數,使得截齒產生直線運動和旋轉運動,創建作業為后面的處理做好準備。

2 煤巖破碎動態過程分析

為研究不同安裝角度對截齒截割含夾矸煤巖的破碎動態過程,根據單因素仿真方案,設置截齒安裝角度分別為40 °、43 °、45 °、47 °、50 °,采煤機牽引速度為2 m/min、滾筒轉速為90 r/min,夾矸強度為33 MPa、夾矸厚度為240 mm進行仿真分析。不同安裝角下截齒在最大切削厚度處的煤巖單元應力云圖,如圖2所示。

圖2 最大切削厚度處煤巖單元應力狀態

由圖2可知,安裝角增加對齒尖與煤巖干涉面積影響較小,最大切削厚度對應橫截面失效單元數量基本不變;齒尖處煤巖單元應力最大,遠離齒尖區域單元應力逐漸遞減。

為分析最大切削厚度對應橫截面失效單元數隨安裝角變化規律,應用ABAQUS后處理功能統計失效單元數,如表1所示。

表1 最大切削厚度對應橫截面失效單元數

由表1可知,截齒在截割含夾矸煤巖時,最大切削厚度對應橫截面失效單元數隨安裝角增加呈現增加趨勢,安裝角為40 °時,失效單元數量最小,其值為96個;安裝角為50 °時,失效單元數量最大,其值為109個。

3 截割性能模擬結果分析

截割力是表征截齒截割性能的重要指標[15],為分析不同截齒安裝角下截齒截割性能變化規律,應用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,隨著時間的增加,截齒切削厚度逐漸增加,導致截齒截割力呈現波動式增加,當截齒觸碰到夾矸時,載荷出現激增,當截齒離開夾矸時,載荷又出現驟降;截齒最大截割力出現在最大切削厚度附近;改變安裝角度,對截齒截割力影響較小,截齒最大截割力基本不變。將截齒截割力導入到MATLAB進行數據處理,通過擬合找到截割力均值和截割力峰值均值,得到的指標值如表2所示。

表2 不同安裝角度下截齒截割性能指標

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,為了更直觀地表現出截割力變化趨勢,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

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截齒截割性能的影響,設置采煤機牽引速度分別為1 m/min、1.5 m/min、2 m/min、2.5 m/min、3 m/min,滾筒轉速固定為90 r/min、夾矸強度固定為33 MPa、夾矸厚度固定為240 mm進行仿真分析。運用ABAQUS后處理的功能,導出截齒的載荷數據,得到不同牽引速度下截齒截割性能指標如表3所示。

表3 不同牽引速度下截齒截割性能指標

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 語

應用有限元軟件ABAQUS,根據單因素仿真方案,數值模擬不同截齒安裝角截齒截割含夾矸煤巖動態過程,研究了截齒截割含夾矸煤巖的截割力變化規律,結果表明:

1) 截齒截割含夾矸煤層時,截割力呈波動式增加,載荷波動較小;截齒截割夾矸層時,截割力發生激增,且載荷波動比截割煤層大。

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先減小后增大的趨勢,當截齒安裝角為45 °時,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,該研究為調整截齒安裝角度來提高采煤機截割性能奠定了理論基礎。