基于ANSYS/LS-DYNA的采煤機滾筒截割煤巖數值模擬研究

宋振鐸，袁　智，郝志勇（.遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧 阜新 3000；.中國煤礦機械裝備有限責任公司，北京 000）

機電自動化

基于ANSYS/LS-DYNA的采煤機滾筒截割煤巖數值模擬研究

宋振鐸1，2，袁智2，郝志勇1
（1.遼寧工程技術大學機械工程學院，遼寧 阜新 123000；2.中國煤礦機械裝備有限責任公司，北京 100011）

采煤機滾筒截割煤巖過程中，滾筒截割阻力、軸向力、截割阻力矩以及截割功率是隨機變化的。為方便觀察截割滾筒載荷譜形態以及滾筒應力分布情況，采用顯示動力學軟件ANSYS/LS-DYNA對采煤機滾筒截割煤壁的過程進行數值模擬，得到兩種工況下滾筒、截齒三向力載荷變化曲線，獲取截齒載荷和滾筒應力分布狀態，分析直線截割與斜切狀態下滾筒力矩和截齒載荷特性。研究發現滾筒和截齒在斜切時，受到影響最明顯的是截割軸向力，而截割阻力影響較小。同時表明：直線截割與斜切狀態下，截齒開始插入煤巖時會有一定沖擊，齒根處應力會瞬間增加，隨著截齒繼續切入，煤巖崩裂，截齒載荷降低，導致齒座根部應力減小。

采煤機；滾筒；截齒；載荷譜；應力

采煤機滾筒旋轉截割煤巖時，滾筒截割阻力、軸向力以及截割功率皆是變化的。為方便觀察截割滾筒載荷譜形態以及滾筒應力分布情況，可采用數值模擬手段獲取截齒載荷和滾筒應力分布狀態。數值模擬技術已經廣泛應用于采礦機械設計領域中，其主要特點為：可連續地、重復地、隨時隨地觀察整個動態截割過程，并且能夠獲得材料細微變形過程中整體與局部的關系；可以清晰、直觀地顯示出通過實驗很難觀測到零件內部應力應變場、溫度場、位移場、速度與加速度場等的分布及變化情況；而且還可以減少實驗費用[5-7]。本文采用顯示動力學軟件ANSYS/LS-DYNA對采煤機滾筒截割煤巖過程進行數值模擬，得到兩種工況下滾筒、截齒三向力載荷變化曲線，并分析在斜切狀態下滾筒力矩和截齒載荷特性與直線截割時的區別。

1　滾筒截割煤巖模型建立

1.1問題描述

滾筒截割煤巖過程屬于有限元分析中的侵徹問題，截齒插入被截割煤壁，使煤塊破壞并從煤體上脫落。本文采用基于有限單元法的數值方法，將刀具和煤巖離散為有限個單元，并用力與位移關系的特征矩陣對其所屬單元進行賦值，稱為剛度矩陣，然后將各個單元剛度矩陣組合成一個全局矩陣組，再用它來對位移量進行求解，通過ANSYS/LSDYNA對采煤機滾筒截割煤巖進行模擬，使用Lagrange算法控制網格畸變，減小沙漏能。

1.2滾筒截割煤巖實體模型建立

采用Inventor完成采煤機螺旋滾筒與被截割煤巖的實體模型建立，對滾筒結構進行適當簡化：

1）將不做重點分析的、不影響滾筒整體受力的結構如噴嘴、螺紋孔等結構特征去除；

2）齒座與螺旋葉片、齒座與端盤之間均為焊接，在此，不對焊接結構做詳細分析，可將齒座與滾筒螺旋葉片、端盤等簡化為一個實體模型。

建立的滾筒截割煤巖實體模型見圖1，對應的斜切段中部路槽形狀見圖2。

圖1　滾筒截割煤巖實體模型

圖2　斜切段中部路槽形狀

1.3滾筒截割有限元模型建立與求解

截齒碰撞煤巖過程中，煤巖通過塑性變形來吸收動能，整個滾筒相對于煤巖有較高的硬度、剛度，故將螺旋滾筒視為剛體，選用剛體模型：MAT_020(MAT_RIGID)。綜合考慮煤巖在破碎過程中的行為特點，采用 LS-DYNA軟件中的*MAT_DRUCKE_PRAGER材料模型對煤巖本構關系進行模擬，采用關鍵字*MAT_ADD_EROSION來定義材料失效[8-9]。選用8節點實體單元SOLID164，使用ANSYS Workbench網格劃分功能（Hex-Dominant）控制煤巖網格；通過Automatic網格劃分工具控制滾筒網格并細化截齒等關鍵結構。直線截割時共劃分904 275個單元，1 475 806個節點；斜切進刀時共劃分9 239 411個單元，1 527 304個節點，有限元模型如圖3所示。

圖3　 有限元模型

采用面-面侵蝕接觸來定義滾筒與煤巖、截齒與煤巖的接觸，選用自動接觸類，即ASTS，*CONTA CT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE。通過關鍵字*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_STE模擬截齒與對應齒座的耦合。

滾筒截割煤巖時具有兩個自由度，一個是沿牽引方向的平移自由度，另一個是繞滾筒軸線旋轉自由度。滾筒被視為剛體，在運行過程中，需要對滾筒質量中心進行限制，在MAT_RIGID卡片下設置COM為1（限制相對于全局坐標系），CON1為6（限制X和Z向的位移），CON2為5（限制滾筒Y和Z向的旋轉自由度），并沿Y軸施加速度載荷，大小為牽引速度；繞X軸的旋轉角速度，大小為滾筒的旋轉速度。煤壁周圍與其它煤巖相連，設置其四周為固定約束。通過ANSYS軟件生成K文件，導入到LS-DYNA求解器中進行求解，并通過LSPREPOST后處理程序獲得所需數據，如表1所示。

表1　模擬基本參數

2　數值模擬結果分析

2.1載荷對比分析

在相同結構參數和運動參數下，進行直線截割與斜切進刀時滾筒三項載荷的對比分析。圖4、圖5分別為直線截割和斜切進刀時滾筒繞全局坐標軸X軸、Y軸、Z軸的力矩時域變化曲線。由圖5可知，在開始進入斜切狀態時，由于滾筒上參與截割的截齒數量較少，截深和截割寬度都較小，所需截割能量較少，螺旋滾筒繞坐標軸的轉矩也比較小；隨斜切進程的推進，同時參與截割的截齒數量也在增加，滾筒繞坐標軸的力矩也隨之變大，截割所需的能耗同時增加；當斜切進入滾筒的全截深時，斜切進刀臨近結束，力矩達到最大，隨著牽引的推進采煤機滾筒逐漸進入直線截割狀態。

圖4　直線截割時滾筒力矩

圖5　斜切進刀時滾簡力矩

圖6　 直線截割載荷

圖7　斜切載荷

表2　載荷數據統計

對比直線截割狀態下的三項力矩圖4可得，在斜切狀態下，當進入全截深后，繞坐標軸的三個力矩均比直線狀態下略大。三個坐標軸上的力矩是每個截齒的三項力在全局坐標系中分力的綜合作用，通過對比圖6和圖7以及滾筒載荷和力矩的數據統計表2可知，斜切時截齒側向力和進刀力與直線時相比多了一個斜切增量，對截割阻力影響不大，因此，兩個方向的載荷對滾筒力矩產生了影響。在圖6和圖7中，兩種工況下截齒的載荷曲線峰值差異明顯，在波動明顯的線段，表明有大塊煤脫落。

2.2應力狀態對比分析

在2.1中，通過將截齒和滾筒都作為剛體分析，獲得截齒的載荷時間歷程數據和滾筒截割力矩時間歷程數據，并且以此為依據對比分析截割滾筒在斜切和直線兩種狀態下的載荷特性。但是，缺少應力應變信息，為獲得滾筒應力，將滾筒作為柔性體，同時創建減速器軸并將其設置為剛體材料，在ANSYS/LS-DYNA中通過關鍵字*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET將滾筒與減速器輸出軸連接螺栓處的節點耦合到剛體（減速器輸出軸）的質量中心位置處。

針對滾筒而言，從圖8-a和圖8-b的應力云圖可以得知，滾筒應力區集中于工作截齒的齒座根部，螺旋滾筒其他部位的應力遠小于齒根處，主要是由于截齒齒座的結構所決定，因此，截齒齒座的根部位置是滾筒上的薄弱位置，容易發生損傷、破壞斷裂等失效形式。對比圖8-a和圖8-b，在斜切時滾筒應力更加集中，根部的應力集中更為明顯，其最大應力大于直線時的最大應力，這是由于滾筒在斜切進刀時，軸向力和推進力產生的增量所引起的。

圖8　滾筒應力云圖

圖9　滾筒關鍵單元等效應力

圖9-a給出了斜切進刀時的滾筒上91 776單元和92 064單元的等效應力曲線圖，圖9-b給出了斜切進刀時的滾筒上92 447單元和91 748單元的等效應力曲線圖。由圖9可得到與圖8相同的結果：截齒開始插入煤巖時會有一個很小的沖擊，齒根處的應力會有一個瞬間的增加；隨截齒的繼續切入，煤巖崩裂，從煤體上剝落下來，截齒載荷降低，導致齒座根部應力減小。

3　結束語

以雙滾筒采煤機前螺旋滾筒截割煤巖為研究對象，針對直線截割和斜切進刀兩種工況的實際情況，進行非線性動力學模擬。應用顯示動力學軟件ANSYS/LS-DYNA對采煤機滾筒截割煤巖過程進行模擬。得到了兩種工況下滾筒、截齒的三向力載荷變化曲線，并分析在斜切狀態下滾筒力矩和截齒載荷特性與直線截割的不同之處，發現滾筒和截齒在斜切時，受到影響最明顯的是軸向力，而截割阻力影響不大，但由于斜切產生增量，使截齒載荷尤其是端盤截齒載荷變化更加復雜。

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（編輯：劉新光）

Numerical Simulation of Cutting Coal of Shearer Drum Based on ANSYS/LS-DYNA

SONG Zhenduo1，2，YUAN Zhi2，HAO Zhiyong1
(1.School of Mechanical Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China；2.China National Coal Mining Equipment Co.Ltd.,Beijing 100011,China)

In the process of cutting coal and rock,the cutting resistance,axial force,cutting resisting moment,and cutting power of shearer drum vary randomly.In order to observe the load spectrum and stress distribution of the drum,an explicit dynamics software,ANSYS/LS-DYNA,was used to simulate the process of cutting coal of the shearer drum to obtain three-directional curve of the drum and pick under two working situations,to achieve the pick load and the stress distribution of the drum,and to analyze the drum torque and the load characteristics of the picks under the straight and inclined cutting.The results show that the inclined cutting has the greatest impact on cutting axial force and the least impact on the cutting resistance.In the condition of the straight and inclined cutting,the picks will have a certain impact when inserting the coal and rock,the stress will increase suddenly at pick root.With the continuous cutting,the coal and rock will collapse,the pick load will fall,causing the decrease of the stress at the pick root.

shearer;drum;pick;load spectrum;stress

TD421

A

1672-5050（2016）02-0001-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.02.001

2016-02-21

國家重點基礎研究發展計劃（2014C13046301）；國家發改辦能源[2010]1961；中煤集團重點科技項目（13-8）；國家能源采掘裝備研發實驗中心項目

宋振鐸（1981-），男，黑龍江通河人，在讀博士，工程師，從事煤礦機械結構動力學研究。