螺旋滾筒截割頂板工況的數值模擬

王 慧， 張長帥， 賈德禹2， 田 震， 周文潮

(1.遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000； 2.瑞木鎳鈷管理(中冶)有限公司，北京 100028)

薄煤層賦存條件復雜多變，煤層中多含夾矸、包裹體等煤巖混合界面，截割頂板是經常遇到的工況[1-3]，在此復雜工況下，螺旋滾筒與煤巖相互作用關系等都會直接或間接地影響采煤機的截割破碎過程及其動力傳遞規律[4]，使得采煤機的設計依據難以量化，研究頂板工況的截割過程為開發具有我國自主知識產權且性能優良的高效強力截割螺旋滾筒，量體裁衣地進行采煤機的創新設計提供了必要的理論基礎，具有重要的學術意義和工程應用價值[5-6]。

南非學者Wyk[7]對不同形狀截齒在恒速下截割煤壁的過程進行了數值模擬，對仿真結果、理論計算結果以及實驗結果進行比較，找出了切削深度以及刀具的磨損對截齒受力的影響規律。于信偉[8]對復雜煤層條件下連續采煤機截割機構的受力狀態以及復雜煤層分布特點進行分析研究，建立了螺旋滾筒的運動參數及結構參數的數學模型。何景強[9]采用LS-DYNA模擬滾筒截煤過程，獲得不同截齒排列方式下螺旋滾筒受到的載荷。周方躍[10]利用LS-DYNA軟件對新型階梯滾筒進行仿真分析，并與傳統采煤機滾筒進行對比，表明其截割性能優于傳統采煤機。

以上學者都是對截割單一賦存條件下煤層和均勻性質煤體的過程進行數值模擬；利用理論公式計算螺旋滾筒外載荷，這樣人為對各參數取值會帶來誤差。本文所述方法能將螺旋滾筒截割頂板過程可視化，并且直接得到截割對象由煤到巖變化時螺旋滾筒的應力云圖，為獲取截割過程螺旋滾筒的外載荷提供了新的途徑。

以某新型采煤機螺旋滾筒為研究對象，利用LS-DYNA對螺旋滾筒截割頂板的過程進行數值模擬，得到了螺旋滾筒受到的非線性沖擊載荷曲線，并對沖擊載荷作用下截齒及滾筒的動應力分布進行了研究，分析了不同運動參數下煤巖所受應力的變化規律，研究結果為采煤機螺旋滾筒的設計及采煤機的定型生產提供了參考。

1 螺旋滾筒截割頂板的力學模型

采煤機截齒的主要工作對象為煤巖體，而在實際的截割工作中除截割純煤體外，還有可能在截煤時遇到頂板的狀況。其受力大小及狀態將發生改變。圖1為采煤機滾筒的受力簡圖，滾筒轉速為ω，與煤巖接觸的截齒將受到截割阻力Zj、牽引阻力Yj及側向力Xj，當截割介質不同時其受力的計算公式也將不同。目前，根據前蘇聯學者的截割破碎理論來計算滾筒瞬時負載[11-12]，即式(1)～式(5)。

當截齒截煤時截割阻力和牽引阻力為

(1)

Yj=0.65Zj

(2)

當截齒截割巖石時截割阻力和牽引阻力為

(3)

Yj=2.5Zj(0.15+0.00056PK)/(10hmaxsinθ)0.4

(4)

圖1 截齒的力學模型

截齒無論截割煤層還是巖石除了受到截割阻力和牽引阻力外，還將受到側向阻力，其計算公式為

(5)

式中，Xj為側向阻力(N)；C1、C2和C3的選取與截齒的排列方式有關，順序式分別取1.4，0.3，0.15。

2 仿真模型的建立

以某型薄煤層采煤機滾筒為研究對象，部分設計參數為：滾筒直徑為800 mm，截割深度為600 mm。以某礦16層煤為工程對象，建立被截割厚度為0.7 m巖石的煤巖耦合模型。為縮短仿真時間，在保證煤巖良好的破碎效果下，將螺旋滾筒的筒轂、螺旋葉片、齒座、端盤等建成一體，截齒由硬質合金頭、齒體組成。在Pro/E中分別建立滾筒及煤巖體的三維實體模型，并將建好的模型進行虛擬裝配，然后利用接口將模型導入ANSYS。煤巖耦合模型均采用八節點SOLID164單元，為了更符合實際煤層和仿真的需要，煤與夾矸接觸表面需要分區域劃分。由于螺旋滾筒結構復雜，采用四面體自由劃分，控制好網格的疏密，截齒形狀相對螺旋滾筒簡單，為了更好地分析截齒載荷特性和可靠性，要盡量劃分出高質量的網格，應人為進行線切割、連接等操作，采用映射和掃掠的方式對合金頭和齒柄進行網格劃分，劃分好的有限元模型如圖2所示。

綜合煤巖的破碎特點及本構關系，煤壁模型定義成LS-DYNA中的*MAT-DRUCKE-PRAGER材料模型，材料失效用關鍵字*MAT_ADD_EROSION定義，煤巖參數準確與否直接影響著仿真結果的可靠性，需要對某礦區煤巖所取得煤礦試樣進行標準化測試，從而得出其煤巖的物理力學性質和煤巖各項參數。煤巖體材料參數如表1所示，螺旋滾筒材料參數如表2所示。

圖2 有限元模型

材料名稱密度/kg·m-3彈性模量/MPa泊松比μ凝聚力/MPa內摩擦角/(°)抗壓強度/MPa堅固系數煤1.32e341120.231.45585.231.9頂板2.40e376700.2011.53842.75.4

表2 螺旋滾筒材料參數

采用關鍵字*CNSTRND_TIEBREAK來定義煤壁與頂板巖石的固連失效。對于滾筒的材料類型的選擇，為了研究復雜煤層賦存條件下滾筒截割性能及其動力傳遞規律，筒轂、葉片、端盤、齒座、截齒材料類型均為*MAT_ELASTIC彈性體模型；而方頭只起到固定作用，并未參與破煤，因此可選為*MAT_RIGID剛性體材料。合金頭與齒體、齒座與筒轂之間分別利用關鍵字*CNSTRND_SPOTWELD定義焊點連接。齒座與齒柄通過關鍵字*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET連接。本次仿真螺旋滾筒需要施加進給運動和轉動(X正向為進給方向，沿Z旋轉，Y的負向為重力方向)。按照滾筒轉速分別為80 r/min、牽引速度分別為3 m/min對滾筒的有限元模型加載。對接觸和輸出文件參數進行設置，仿真時間為2 s，保存成K文件，最后調入LS-DYNA/SOLVER進行求解。

3 數值模擬及結果分析

3.1 滾筒載荷的提取與分析

在輸出的二進制文件中可查看螺旋滾筒的載荷譜，螺旋滾筒的載荷曲線如圖3所示。由圖3分析可得，從三向力的大小來看，截割阻力(Z向)最大，其次是牽引阻力(X向)，側向力(Y方向)最小。滾筒Z向切削合力方向與滾筒轉動方向相反，滾筒X向截齒合力與牽引方向相反，滾筒的Y向合力在零線上下波動，但其平均值不為零。

圖3 滾筒三向力曲線

利用數值模擬技術，得到了不同牽引速度下螺旋滾筒受到的載荷，并基于破煤理論分別將相同工況下計算所得數據與本次仿真所得數據進行比較以驗證本次模擬的正確性，如表3所示，X向載荷最大誤差為8.31%，Y向載荷最大誤差為7.57%，Z載荷最大誤差為5.21%，所有誤差均小于10%在誤差允許范圍內，故仿真結果可靠。

表3 三向力誤差比較

3.2 截齒、齒座及葉片的應力分析

由仿真結果可得截齒的應力云圖的剖面圖，如圖4所示，關注合金頭齒尖的局部區域，齒體的前刃面、齒柄頭部的軸肩處。整個截割煤巖過程中，截齒的等效應力集中在前刀面兩側、焊縫交界及齒柄頭部的軸肩處，且隨著截割工況改變，截齒受到的應力也隨之有明顯變化。圖5為齒體中心線與齒座孔部的中心線相對位移變化，最大偏移量為0.026 mm，這說明齒柄產生彎曲變形量為0.026 mm，其變形量較小，截齒不會因彎曲剛度不夠而折斷。

截割煤巖時螺旋滾筒的應力云圖如圖6所示，應力主要集中在截齒齒座根部，并且端盤上齒座受到的應力明顯大于葉片上齒座受到應力，截割巖石的截齒齒座大于其他工作截齒齒座的應力，并且處于工作中的截齒齒座根部的應力遠大于其他部位的應力，這是截齒齒座結構所決定的，這說明齒座的薄弱位置在其根部，故齒座根部易造成損傷、破壞斷裂等失效。齒座與葉片應力最大單元的時間歷程曲線，如圖7所示，250072單元是滾筒齒座根部最大應力單元，當1.12 s時達到最大應力，為371.79 MPa，小于焊縫強度。處于工作的葉片上每個位置受到的應力變化不大，這是由于被截齒截落掉的煤巖隨著滾筒葉片的旋轉而運動，從而起到裝煤的作用。232371單元是滾筒葉片上的最大應力單元，當1.25 s時達到最大應力，為103.56 MPa，未超過材料的許用應力。

圖4 截齒應力云圖及內部剖面圖

圖5 齒體中心線與齒座孔部的中心線相對位移變化

圖6 滾筒的應力云圖

4 不同運動參數對煤巖的動力傳遞問題影響分析

滾筒轉速和牽引速度的不同匹配，切屑厚度將發生變化，從而影響到煤巖所受應力區域的大小。選取牽引速度2～6 m/min、滾筒轉速分別為60～100 r/min的工況，仿真得到的結果擬合成曲面，如圖8所示。

圖7 齒座與葉片應力最大單元的時間歷程曲線

圖8 巖石應力與運動參數的關系

在截割過程中，滾筒轉速和牽引速度的不同，直接影響著截齒壓碎煤巖石的加速度，進而影響煤巖受到的應力。隨著牽引速度的增加，截割中巖石最大應力值均有不同程度的增加，當牽引速度由2 m/min增加到6 m/min時，螺旋滾筒轉速為60 r/min、70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min的巖石應力最大值分別增加了6.597%、7.175%、9.280%、8.164%、7.678%，增加幅度先增大隨后逐漸減小，應力平均增加了7.778%，這是由于當牽引速度增加時切削厚度也隨之變大，切掉巖石的塊度也會增大，這將導致煤巖所受應力增大；隨著滾筒轉速的增加，截割中的巖石最大應力值均有不同程度的減小，當滾筒轉速由60 r/min增加到100 r/min時，牽引速度為2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min、6 m/min的合金頭應力最大值分別減小了7.744%、7.546%、6.166%、4.315%、4.221%，減小幅度逐漸變小，應力平均減小了5.998%，這是由于當滾筒轉速增加時，截齒截割煤巖石的加速度增加，積聚的彈性能量和脆性增加，但韌度降低，從而抵抗突變能力降低。可見，牽引速度的變化對截割中巖石應力的影響較滾筒轉速的變化明顯。

如圖9所示，隨著牽引速度的增加，截割中煤體最大應力值均有不同程度的增加，當牽引速度由2 m/min增加到6 m/min時，螺旋滾筒轉速為60 r/min、70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min的煤體最大應力值分別增加了29.37%、34.44%、40.12%、32.54%、30.19%，增加幅度先增大隨后逐漸減小，應力平均增加了33.332%，這是由于當牽引速度增加時切削厚度也隨之變大，塊煤率會增大，這將導致煤體所受應力增大；隨著滾筒轉速的增加，截割中煤體最大應力值均有不同程度的減小，當滾筒轉速由60 r/min增加到100 r/min時，牽引速度為2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min、6 m/min的合金頭應力最大值分別減小了17.07%、27.00%、26.31%、20.24%、16.55%，減小幅度先增大又逐漸減小，應力平均減小了16.088%，滾筒轉速與截齒沖擊煤巖的瞬時速度成正比，沖擊速度會影響煤巖內部裂紋的擴展，致使煤巖被截碎。當滾筒轉速增加時，截齒截割煤體的加速度增加，積聚的彈性能量和脆性增加，但韌度降低，導致抵抗突變能力降低，使煤體受到的應力減小。可見，牽引速度的變化對截割中煤體應力的影響較滾筒轉速的變化明顯。

圖9 煤體應力與運動參數的關系

5 結論

① 利用ANSYS/LS-DYNA對采煤機截割頂板的過程進行數值模擬，得到了螺旋滾筒的工作載荷、螺旋滾筒的應力應變的時間歷程曲線，為獲取采煤機在復雜煤層工作的外載荷提供了新途徑。

② 當滾筒轉速相同時，牽引速度由2 m/min增加到6 m/min時，煤巖受到的應力增加幅度先增大隨后逐漸減小，巖石與煤體受到的應力值分別平均增加了7.778%、33.332%；當牽引速度相同時，滾筒轉速由60 r/min增加到100 r/min時，煤巖受到的應力減小幅度逐漸變小，巖石與煤體受到的應力值分別平均減小了5.998%、16.088%。通過比較發現運動參數的改變對煤體應力的影響明顯大于巖石的應力。