不同因素下掘锚机滚筒截割性能仿真分析.pdf

基：D-02)收#Jul.JOURNALOFMACHINEDESIGN20232023年月No.7Vol.40机设第4 0 卷第7 期计械不同因素下掘锚机滚筒截割性能仿真分析陈洪月1.2，海秋晗，王春刚3，张德生4（1.辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新123000;2.辽宁工程技术大学矿产资源开发利用技术与装备研究院，辽宁阜新123000;3.陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西西榆林719000;4.天地科技股份有限公司，北京100013)摘要：为研究不同因素下掘锚机滚筒简的截割性能，分别对不同转速、煤岩硬度和振动现象下滚筒截割的动态过程进行仿真分析。通过对截割阻力、波动系数、截割比能耗、底板平整性和力在截割面后方煤壁的传导进行分析，得到不同因素对滚筒截割性能的影响。研究结果表明：滚筒受到的截割阻力随煤岩硬度的升高而增大；振动对滚筒截割阻力也产生一定影响，相较于煤岩硬度，振动对滚筒截割阻力的影响要小；波动系数与截割比能耗随着煤岩硬度的升高及振动的产生而增大。衡量底板平整性的3项指标为最大间隙值、煤岩标准差与平整度，其均随滚筒转速的提高而增加；滚筒在截割过程中，位于煤岩两侧的颗粒受到的力要比位于中间的稳定，当颗粒未受到约束时，记录点载荷由上至下逐渐减小，由前至后逐渐减小。关键词：EDEM；煤岩硬度；振动；截割阻力；底板平整性中图分类号：TD421文献标识码：A文章编号：10 0 1-2 354(2 0 2 3)0 7-0 0 4 5-0 9Simulation and analysis of cutting performance of windlass excavator sdrum under different working conditionsCHEN Hongyue-2,HAI Qiuhan,WANG Chungang,ZHANG Desheng*4(1.School of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000;2.Institute of Mineral Resources Development and Utilization Technology and Equipment,Liaoning Technical University,Fuxin 123000;3.Shaanxi Yanchang Petroleum Balasu Coal Industry Co.,Ltd.,Yulin 719000;4.Tian Di Science&Technology Co.,Ltd.,Beijing 100013)Abstract:In this article,in order to explore the cutting performance of the windlass excavators drum under different fac-tors,the dynamic cutting process with different rotational speeds,coal-and-rock hardness and vibration is simulated and analyzed.Through the analysis on cutting resistance,wave coefficient,cutting-rotio energy consumption,floor flatness,force conduction inthe coal wall behind the cutting face,the influence of different factors on the drums cutting performance is worked out.The re-sults show that the drums cutting resistance increases with the ever-growing coal-and-rock hardness.The vibration also has cer-tain influence on the drums cutting resistance.Compared with the coal-and-rock hardness,the vibration has less influence onthe drums cutting resistance.The wave coefficient and the cutting-ratio energy consumption increase with the ever-growing coal-and-rock hardness and vibration.The three indexes to measure the floor flatness,such the maximum clearance value,the coal-and-rock standard deviation,and the floor flatness,increase with the drums rotating speed.In the cutting process,the force on日期：2 0 2 1-0 6-2 1；修订日期：2 0 2 3-0 1-2 4金项目：国家自然基金面上项目（518 7 4 157）；辽宁省教育厅基础研究项目（LN2020JCL026）；辽宁工程技术大学创新领军团队（LNTU20T46机计设第4 0 卷第7 期械the particles located on both sides of the coal and rock is more stable than that located in the middle.When the particles are notconstrained,the load at the recording point decreases from top to bottom and from front to back.Key words:EDEM;coal-and-rock hardness;vibration;cutting resistance;floor flatness掘锚机作为一种新型采掘设备，可同时进行掘进、锚杆支护和运煤等作业，其工作性能与滚筒有直接的联系。滚筒作为掘锚机主要截割部件之一，其截割性能直接决定了掘锚机的工作效率。不同于采煤机滚筒，掘锚机滚筒没有螺旋叶片且齿座是直接焊在滚筒上的，这使掘锚机滚筒与采煤机滚筒有着很大的区别。国内外对掘锚机滚筒的研究有：麻成标基于单镐齿和采掘头的切削机制，采用ANSYS软件进行采掘头破岩过程的仿真模拟，得出了采掘头在转速和布齿方式双变量条件下对切削性能的影响规律；刘在政2 采用LS-DYNA软件对掘锚机滚筒截齿破煤过程进行了仿真研究，分析破煤过程中截齿的应力状态并引用截割阻力的计算公式对仿真进行验证，证明了建模方法的可行性与正确性，研究工作为深人探讨破煤机理，并为改进截齿的设计提供可靠的依据；魏晓华等3 通过MATLAB软件进行仿真，得到了工作状态下掘进机截割头的转速和转矩的变化，为掘进机优化设计提供了理论依据等。文中以MB670-1型号掘锚机为研究对象，通过Pro/E软件建立滚筒简化模型，采用EDEM仿真软件建立煤岩模型，模拟掘锚机滚筒的截割过程。综合考虑煤岩硬度、滚筒转速和振动现象等因素对掘锚机滚筒截割性能的影响，采用单因素试验法对截割阻力、波动系数、截割比能耗、底板平整性和煤岩压缩力进行分析总结，为研究不同因素滚筒截割性能的影响提供了新的方向。1滚筒截割过程仿真模型的建立1.1颗粒模型的建立掘锚机滚筒截落煤块的尺寸通常在0 50 mm之间4 。在EDEM软件中定义6 种不同尺寸的颗粒来模拟煤岩，如图1所示其中，图1a为岩石颗粒，图1b图lf为煤颗粒。在EDEM软件中添加煤、岩石和钢3种材料。各参数如表1和表2 所示(a)1 mm(b)3mm(c)5mm(d)10 mm(e）30mm(f)50mm图1颗粒模型表1材料参数材料泊松比剪切模量G/Pa密度p/(kg/m)J4煤0.159.561081 420J5煤0.171.62101420J6煤0.221.721091 420岩石0.251072600钢0.3710107 800表2接触参数接触参数恢复系数静摩擦因数动摩擦因数煤一煤0.50.60.05煤一岩石0.50.70.08煤一钢0.50.40.05岩石-岩石0.60.80.1岩石-钢0.60.50.07钢一钢0.70.20.01为更好地模拟煤岩的物理状态，选择Hertz-Mind-linBonding模型。如图2 所示，模型通过“黏结键 将颗粒黏结。模型在相互接触的颗粒间传递法向应力F、切向应力力F,和力矩M,并且承受一定的切向运动和法向运动5-8 M2图2颗粒黏结模型.m:472023年7 月陈洪月，等不同因素下掘锚机滚筒截割性能仿真分析通过设置颗粒间的法向和切向黏结强度使颗粒能够承受一定的拉伸与剪切作用，当颗粒间的作用力超过黏结强度时，黏结会发生破坏。此后，颗粒将视作刚性球体进行接触求解。定义法向应力与切向应力的最大值如下9-10 F2T.n+RmaxAJ(1)-FTTRminAJ式中：R-颗粒黏结半径，mm,R=VR,R,；R,R2-球1,2 的颗粒半径,mm；F.,F,颗粒的法向、切向力，N；T.,T.果颗粒的法向、切向力矩，Nm；A单位接触面积,mm，A=R;1J一一极惯性矩,mmt,JTR42颗粒间的黏结力和力矩随时步变化的数学表达式如下：8F=-U.S.AStSF,=-0,S,Aotn=-W,S.J8t(2)ST,=St2式中:8 F.,8F,相应时间点颗粒的法向黏结力、切向黏结力，N；ST,8T,相应时间点颗粒间的法向力矩、切向力矩，St-时间步长，s；U,颗粒的法向、切向速度，m/s；颗粒的法向、切向角速度，rad/s；S.,S.颗粒的法向、切向接触刚度，N/m。通过计算确定表1中不同硬度煤岩颗粒间的黏结参数，如表3所示表3颗粒黏结参数数值颗粒黏结参数J4煤/5煤./6煤单位面积法向刚度/（N/m）4.01096.91097.6109单位面积切向刚度/（N/m）1.71092.91093.1109单位面积法向应力/Pa4.01065.01066.0106单位面积切向应力/Pa1.61062.01062.41061.2仿真模型的建立参考山特维克MB670-1型号掘锚机滚筒，确定主要参数,并采用Pro/E软件建立滚筒的三维模型。滚筒主要参数如表4 所示。表4滚筒主要参数滚筒宽度B/mm滚筒直径D,/mm掘进速度u/(m/min)52001 1503在EDEM软件中建立一个5.5m2.0m3.0m的箱体用于填充煤岩颗粒，使填充后的颗粒生成黏结键并将顶板接触面和滚筒截割面进行隐藏。在煤层上方建立一个箱体并通过MCU工具给予一定的力来模拟煤岩受到的顶板压力，单位面积顶板压力计算公式为11-14 DLLok,P。=z h k z +-(3)2Lk式中：P一-顶板压力,N;hi一动压系数;k2一悬顶片帮系数；-直接顶、基本顶岩石密度，kg/m；L控顶距,m;Lo基本顶初次来压步距，m；h,D-直接顶、基本顶岩层厚度，m通过计算得出顶板压力值为6.6 10 7 N。滚筒截割模型如图3所示，X向为滚筒截割方向，Y向为竖直方向，Z向为滚筒轴向方向。同时，顶板上方受到一定的顶板压力，生成的煤岩两侧受到箱体的固定约束。顶板顶板压力掘锚机滚筒固定固定约束约束巷道面V煤壁图3滚筒截割模型1.3设定仿真参数设置时间储存间隔为0.0 5s，网格尺寸为2 R，mino48计机设第4 0 卷第7 期械2滚筒截割性能的衡量指标2.1波动系数波动系数指的