含夹矸煤岩截齿安装角对截割力的影响研究.pdf

收稿日期:2023 05 06基金项目:国家自然科学基金资助项目(52204131);黑龙江省首批“揭榜挂帅”科技攻关项目(2021ZXJ02A01)作者简介:任春平(1987-),男,黑龙江肇东人,博士,从事矿山机械设计理论及方法工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.002含夹矸煤岩截齿安装角对截割力的影响研究任春平,张训洪,赵中旭(黑龙江科技大学 机械工程学院,黑龙江 哈尔滨 150022)摘 要:为研究含夹矸煤岩截齿安装角度对截割力影响,运用 Pro/E 构建镐型截齿和含夹矸煤岩的三维模型,采用 ABAQUS 有限元软件对截齿截割含夹矸煤岩动态过程进行数值模拟,分析不同截齿安装角度下的应力云图与载荷曲线。结果表明:截齿最大截割力出现在最大切削厚度处附近,改变截齿安装角度,对截齿截割力影响较小;随着截齿安装角的增大,截割力均值和截割力峰值均值呈现先减小后增大的趋势。随牵引速度增大,截齿截割力均值、截割力峰值均值呈增加趋势,该研究为调整截齿安装角来提高截齿破碎性能奠定基础。关键词:截齿;安装角;夹矸煤岩;数值模拟;截割力中图分类号:TD42 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)09 0006 04Study on Influence of Pick Installation Angle on Cutting Force in Coal Rock Containing GangueREN Chunping,ZHANG Xunhong,ZHAO Zhongxu(School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science and Technology,Harbin 150022,China)Abstract:In order to study the influence of pick installation angle on cutting force in coal seam with parting,Pro/E is used to construct the three-dimensional model of conical pick and coal rock with parting.ABAQUS finite element software is used to simulate the dynam-ic process of pick cutting coal rock with parting.The stress cloud diagram and load curve under different pick installation angles are an-alyzed,and the influence of different installation angles on cutting force is studied.The results show that the maximum cutting force of the pick appears near the maximum cutting thickness.Changing the installation angle of the pick has little effect on the cutting force of the pick.With the increase of pick installation angle,the mean value of cutting force and the mean value of cutting force peak decrease first and then increase.With the increase of traction speed,the mean value of cutting force peak and the coal falling mass per unit time increase.This study lays a foundation for adjusting the installation angle of picks to improve the crushing performance of picks.Key words:pick;installation angle;coal rock containing gangue;numerical simulation;cutting force 我国薄煤层资源储量丰富,但其煤层赋含夹矸,开采难度较大1-3。截齿是采煤机截割煤岩的关键零件,截齿所受载荷具有时变性、冲击性等特点,导致截齿快速磨损,更换频繁4-8。为提高截齿的破碎性能,国内外诸多学者对截齿截割力做了大量的研究。董磊等9利用 PFC(Power Factor Correction,功率因数校正)研究了单齿截割岩石时接触状态对截割力的影响。刘晋霞等10以 Evans 截割力模型为基础,提出了镐型截齿旋转截割力模型。Gospo-darczyk11建立了数值模拟模型,研究了采煤机不同运动参数下的受力与截割性能的变化规律。梁运培等12基于一种直线截割试验,研究了截割厚度和截线距对镐型截齿力学参数的影响。任春平等13采用 Tikhonov 正则化求解两类确定性的问题,实现了截齿截割煤岩载荷上下界的确定。综上所述,国内外大多学者对截割力的研究以改变运动参数与求解方法居多,对含夹矸煤层研究较少,未考虑不同截齿安装角度对截齿截割含夹矸煤岩截割力的影响。因此,针对复杂煤岩工况,本文采用数值模拟的方法,通过有限元软件 ABAQUS 模拟截齿截割含夹矸煤岩过程,研究了截齿不同安装角度对截齿截割力的影响规律。试试验验研研究究 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月1 截齿-煤岩有限元耦合模型的建立根据数值模拟要求,采用 Pro/E 建立截齿与煤岩的 三 维 模 型,另 存 为.step 格 式,再 导 入 到ABAQUS 中,设置截齿与煤岩的材料参数14,调整截齿和煤岩的相对位置与角度进行装配,如图 1 所示。图 1 截齿-煤岩耦合模型将装配好的耦合模型指派网格属性并划分网格,为在数值模拟中提高计算精度,用扫略式划分煤岩,细化煤岩和截齿直接接触区域的网格。无限元在仿真过程中可以吸收应力波,避免固定边界上反射的应力波重新进入模型并参与计算,无限边界部分应用重新定义扫略路径功能,将路径定义为指向表面外法线方向。截齿采用自由法对其进行网格划分,网格单元的类型选用六面体。为了使模拟过程更加接近真实截割状态,将截齿设定为刚体,截齿与煤岩的法向接触为硬接触,煤岩的两侧面设定为无限元边界。为了避免仿真过程中煤岩受力后产生位移,在载荷模块中,对煤岩的外圆弧面施加完全固定,限制煤岩整体的位移,对截齿设定位移和转角参数,使得截齿产生直线运动和旋转运动,创建作业为后面的处理做好准备。2 煤岩破碎动态过程分析为研究不同安装角度对截齿截割含夹矸煤岩的破碎动态过程,根据单因素仿真方案,设置截齿安装角度分别为 40、43、45、47、50,采煤机牵引速度为 2 m/min、滚筒转速为 90 r/min,夹矸强度为33 MPa、夹矸厚度为 240 mm 进行仿真分析。不同安装角下截齿在最大切削厚度处的煤岩单元应力云图,如图 2 所示。由图 2 可知,安装角增加对齿尖与煤岩干涉面积影响较小,最大切削厚度对应横截面失效单元数量基本不变;齿尖处煤岩单元应力最大,远离齿尖区域单元应力逐渐递减。为分析最大切削厚度对应横截面失效单元数随安装角变化规律,应用 ABAQUS 后处理功能统计失效单元数,如表 1 所示。图 2 最大切削厚度处煤岩单元应力状态表 1 最大切削厚度对应横截面失效单元数安装角/()失效前体积/mm3失效后体积/mm3变化量/mm3失效单元数/个4048 340.80 46 945.50 1 395.30 96 4344 150.00 42 713.40 1 436.60 99 4533 112.30 31 688.30 1 424.00 98 4744 137.30 42 661.50 1 475.80 102 5048 340.80 46 757.80 1 583.00 109 由表 1 可知,截齿在截割含夹矸煤岩时,最大切削厚度对应横截面失效单元数随安装角增加呈现增加趋势,安装角为 40 时,失效单元数量最小,其值为 96 个;安装角为 50 时,失效单元数量最大,其值为 109 个。3 截割性能模拟结果分析截割力是表征截齿截割性能的重要指标15,为分析不同截齿安装角下截齿截割性能变化规律,应用 ABAQUS 后处理功能,得到不同安装角度下的截齿截割力变化曲线,如图 3 所示。7第 9 期 任春平,等:含夹矸煤岩截齿安装角对截割力的影响研究 图 3 不同安装角度下截齿截割力曲线 由图 3 可知,截齿截割煤层,随着时间的增加,截齿切削厚度逐渐增加,导致截齿截割力呈现波动式增加,当截齿触碰到夹矸时,载荷出现激增,当截齿离开夹矸时,载荷又出现骤降;截齿最大截割力出现在最大切削厚度附近;改变安装角度,对截齿截割力影响较小,截齿最大截割力基本不变。将截齿截割力导入到 MATLAB 进行数据处理,通过拟合找到截割力均值和截割力峰值均值,得到的指标值如表 2 所示。表 2 不同安装角度下截齿截割性能指标截齿安装角度/()Fjj/kNFfj/kN408.6510.02439.1110.33458.789.80479.5410.18509.8310.32 表 2 为截齿安装角度分别为 40、43、45、47、50 工况下截齿截割力均值及截割力峰值均值,为了更直观地表现出截割力变化趋势,给出不同安装角度下截齿截割力均值及峰值均值直方图,如图 4 所示。图 4 不同安装角度下截割性能指标 由图 4 可知,截齿安装角度在 50 工况下,截齿所受截割力的均值最大为 9.83 kN;截齿安装角在40 工 况 下,截 齿 所 受 截 割 力 的 均 值 最 小 为8.65 kN.在截齿安装角为 43工况下,截齿所受截割力峰值均值最大为 10.33 kN;45 工况下,截齿所受截割力峰值均值最小,其值为 9.80 kN.为研究不同牵引速度对截齿截割性能的影响,设置采煤机牵引速度分别为 1 m/min、1.5 m/min、2 m/min、2.5 m/min、3 m/min,滚筒转速固定为90 r/min、夹矸强度固定为 33 MPa、夹矸厚度固定为240 mm 进行仿真分析。运用 ABAQUS 后处理的功能,导出截齿的载荷数据,得到不同牵引速度下截齿截割性能指标如表 3 所示。由表 3 可知,牵引速度在 3 m/min 工况下,截齿所受截割力的均值最大为 14.10 kN;牵引速度在1 m/min 工况下,截齿所受截割力的均值最小为8 第 32 卷4.43 kN.在牵引速度为 3 m/min 工况下,截齿所受截割力峰值均值最大为 17.18 kN;牵引速度为1 m/min 工况下,截齿所受截割力峰值均值最小,其值为 5.24 kN.表 3 不同牵引速度下截齿截割性能指标va/(mmin-1)Fjj/kNFfj/kN14.435.241.56.597.8728.789.812.511.9113.31314.1017.184 结 语应用有限元软件 ABAQUS,根据单因素仿真方案,数值模拟不同截齿安装角截齿截割含夹矸煤岩动态过程,研究了截齿截割含夹矸煤岩的截割力变化规律,结果表明:1)截齿截割含夹矸煤层时,截割力呈波动式增加,载荷波动较小;截齿截割夹矸层时,截割力发生激增,且载荷波动比截割煤层大。2)随着截齿安装角的增大,截割力均值和截割力峰值均值呈现先减小后增大的趋势,当截齿安装角为 45 时,截割力均值和峰值均值最小。3)随着牵引速度增大,截齿截割力均值、截割力峰值均值呈增加趋势,该研究为调整截齿安装角度来提高采煤机截割性能奠定了理论基础。参考文献:1 任春平,刘春生.煤岩模拟材料的力学特性J.黑龙江科技大学学报,2014,24(6):581-584.2 刘春生,刘延婷,李鑫鹏.基于正交数值模拟的碟盘刀具破碎煤岩性能评价J.黑龙江科技大学学报,2020,30(2):142-149.3 任春平,赵中旭,马化凯.Canny 算法与正则化的煤岩破碎图像边缘重构方法J.黑龙江科技大学学报,2021,31(1):43-47.4 李传磊,刘传安,马彪.含硬夹矸薄煤层综采关键技术J.煤,2018,27(2):20-22.5 廖九波,李夕兵,王少锋,等.截割厚度和截线距对镐型截齿破岩的影响研究J.岩土力学,2023,47(2):1-13.6 刘送永,李洪盛,江红祥,等.矿山煤岩破碎方法的研究进展J.煤炭学报,2023,47(3):1-21.7 张 强,张赫哲,田 莹,等.截齿辅助冲击作用下坚硬煤体的破碎特性J.煤炭学报,2022,47(2):1 002-1 016.8 刘春生,刘延婷,刘若涵,等.采煤机截割状态与煤岩识别的关联载荷特征模型J.煤炭学报,2022,47(1):527-540.9 董 磊,张 华,吕继双,等.基于力链的岩石单齿截割特性研究及截割力预测J.岩土力学,2022,43(11):3 036-3 046.10 刘晋霞,马超,曾庆良,等.镐型截齿截割煤岩过程的截割力研究J.煤炭学报,2017,42(5):1 325-1 330.11 Gospodarczyk P.Modeling and Simulation of Coal Load-ing by Cutting Drum in Flat SeamsJ.Archives of Min-ing Sciences,2016,61(2):1-17.12 梁运培,王 想,王清峰.截割厚度与截线距对镐型截齿破岩力学参数的影响J.振动与冲击,2018,37(3):27-33.13 任春平,刘若涵,徐 鹏.镐型截齿截割煤岩载荷的区间识别模型与解算方法J.黑龙江科技大学学报,2020,30(6):649-653.14 刘春生,李鑫鹏,刘延婷.运动参数对碟盘刀具破碎煤岩载荷的影响J.黑龙江科技大学学报,2020,30(6):641-648.15 王少锋,李夕兵,宫凤强,等.深部硬岩截割特性与机械化破岩试验研究J.中南大学学报:自然科学版,2021,52(8):2 772-2 782.责任编辑:王伟瑾本刊声明本刊已开通科技期刊学术不端文献检测系统,请作者投稿时注意文章的原创性,本刊一经发现有抄袭行为和一稿多投现象,将把作者放入黑名单,请作者自重。本刊欢迎有思想、有见地、有创新性、有借鉴价值的文章,尤其欢迎各类基金项目的文章。煤编辑部 9第 9 期 任春平,等:含夹矸煤岩截齿安装角对截割力的影响研究