夾矸煤層條件下螺旋葉片磨損失效數值模擬研究

趙麗娟，趙宇迪，金 鑫，王 巖

(遼寧工程技術大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000)

采煤機螺旋葉片主要承擔著裝煤任務，復雜的煤層賦存條件和非線性沖擊載荷會造成其磨損加劇甚至失效，直接影響采煤機的工作效率和生產成本。隨著數值模擬技術的不斷發展，國內外學者圍繞螺旋滾筒的磨損問題及其修復優化展開了諸多研究。針對螺旋滾筒磨損問題JOHN P Loui等研究了摩擦力和切削速度對鎬形截齒磨損失效的影響，所得結果與實驗觀測值一致[1];DOGRUOZ Cihan等通過全方位的切削實驗及數學統計分析方法獲得了截齒磨鈍條件下截割比能耗與截齒種類、磨損情況及煤層物理性質之間的函數關系[2];JAKUB Gajewski等分別利用未磨損和磨損的鎬形截齒與刀形截齒以及一種新型鋒利截齒進行試驗研究，得到其截割功率和扭矩的變化曲線，并通過人工神經網絡對截齒磨損情況進行預測[3];在螺旋滾筒修復優化方面牛東民分析了螺旋葉片磨損的主要原因，提出了葉片結構參數的改進方案[4];陳顥等采用等離子束表面冶金技術，對截齒易磨損部位制備了鐵基復合涂層，提高了截齒的耐磨性[5];劉曉輝構建了煤巖截割試驗臺，研究了截齒排列方式、結構參數及安裝角度對截齒磨損的影響[6]。綜上所述，前人對螺旋滾筒截齒磨損的研究已經較為深入，但對于螺旋葉片的磨損僅進行了定性的分析，缺少應用數值模擬技術的定量分析。

應用數值模擬技術對螺旋葉片磨損問題進行研究，可有針對性地優化螺旋滾筒的結構，降低生產成本;同時擬合得到的螺旋葉片磨損軌跡方程為激光增材修復提供依據。

1 理論背景

1.1 螺旋葉片力學模型

煤巖顆粒在裝載過程中相互間的作用關系十分復雜，為了簡化力學模型，對單一煤顆粒進行受力分析如圖1所示[7]，其中，F為等效摩擦力，N;n為滾筒轉速，r/min。

圖1 煤顆粒受力分析

煤顆粒平衡方程為

(1)

式中，Pt為落煤切向力，N;Px為軸向拋煤力，N;Nα為拋煤時螺旋葉片對煤顆粒的正壓力，N;f為螺旋葉片與煤顆粒的摩擦因數;αcp為葉片螺旋升角，(°)。

由落煤切向力與煤顆粒切向分速度求得裝煤功率為

(2)

式中，Nz為裝煤功率，kW;vt為煤顆粒切向分速度，m/min。

裝煤功率[9]還可表示為

(3)

式中，vq為牽引速度，m/s;vj為截齒截割線速度，m/s;Kz為裝煤阻力系數，有擋煤板時Kz=350，無擋煤板時Kz=1 000，N/cm。

由式(2),(3)聯立可求得

(4)

1.2 螺旋葉片磨損機理

煤顆粒在裝運過程中對螺旋葉片產生的磨損屬于磨粒磨損類型，根據磨粒磨損的微量切削機理，螺旋葉片的磨損主要是由于煤顆粒在葉片表面發生微觀切削作用，當法向載荷將煤顆粒壓入葉片表面，在相對滑動時摩擦力通過煤顆粒的微觀切削對葉片表面產生犁刨作用，因而產生槽狀磨痕。煤顆粒微觀切削模型如圖2所示。

圖2 煤顆粒微觀切削模型

由圖2可知，摩擦副由葉片及煤顆粒構成，煤顆粒微凸體頂部呈圓錐形，半角為θ，煤顆粒頂部穿入葉片表面深度為h，磨粒底面圓半徑為r。發生相對滑動時，法向載荷Ni只由前方半接觸面積支承，因此有[9]:

Ni=πr2σs

(5)

當煤顆粒移動dl時，去掉材料的體積是dV1=rhdl，則

h=rcotθdV1=r2dlcotθ

(6)

式中，l為單位磨損距離，mm。

所以一個微凸體滑動一個單位距離所產生的磨損體積為

(7)

由式(5)與式(7)聯立得:

(8)

假定Ni是穩定的，可得磨損距離為L的總磨損體積為

(9)

(10)

式中，V為總磨損體積，mm3;N為法向正壓力，N;L為滑動磨損距離，mm;θ為煤顆粒圓錐半角，(°);σs為抗壓屈服強度，MPa;K為磨粒磨損系數。

2 有限元模型構建及仿真結果分析

2.1 有限元模型構建

以MG400/951-WD新型采煤機螺旋滾筒為工程對象，利用Pro/Engineer分別建立螺旋滾筒與夾矸煤層的三維實體模型，并對模型進行全局干涉檢查，將裝配好的模型導入ANSYS進行前處理[10]。設定單元類型為8節點SOLID164單元，并對螺旋滾筒的材料屬性進行定義見表1。

表1 螺旋滾筒材料屬性

Table 1 Material properties of spiral drum

材料屬性合金頭齒體筒轂、螺旋葉片密度/(t·m-3)14.607.857.85彈性模量/GPa590.0212.5218.7泊松比0.230.300.30抗壓強度/MPa13001080766.67抗拉強度/MPa15001200862.03

以兗州煤業股份有限公司楊村礦17層煤巖試樣為研究對象，如圖3所示，所測物理力學性質見表2。

圖3 夾矸煤巖試樣

表2 夾矸煤巖物理力學性質

為了更好地描述螺旋葉片的磨損失效，葉片網格采用掃略的劃分方式，同時為了縮短仿真時間，螺旋滾筒其他部分的網格采用四面體智能劃分。導出K文件到LS-DYNA中進一步設置，如圖4所示。

圖4 初始K文件模型

在LS-DYNA中設置螺旋滾筒與夾矸煤巖的接觸類型為面面侵蝕接觸[11];定義夾矸煤巖的邊界條件為無反射邊界條件，消除應力波到達邊界時的反射現象;定義夾矸煤巖的材料模型為096_BRITTLE_DAMAGE[12]，通過材料關鍵字中的ADD_EROSION與PLASTIC_KINEMATIC分別對夾矸煤巖與螺旋葉片定義失效，用以表征煤顆粒被截落與螺旋葉片的磨損失效[13];通過關鍵字*DEFINE_CURVE定義螺旋滾筒初始運動狀態曲線，并通過*BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_

RIGID施加到筒轂，基于實際工況定義牽引速度為8 m/min、滾筒轉速為60 r/min驅動螺旋滾筒;設置求解時間為4 s，通過關鍵字*DATABASE_RCFORC添加螺旋葉片接觸力二進制文件的輸出[14];將最終的K文件導入LS-DYNA/SOLVER求解器進行求解。

2.2 仿真結果分析

螺旋滾筒截割夾矸煤巖的數值模擬結果如圖5所示。利用LS-PREPOST4.2后處理軟件對求解結果進行查看。

圖5 數值模擬結果

為便于觀察，將夾矸煤巖層進行隱藏，獲得螺旋葉片磨損的數值模擬結果如圖6所示。

圖6 螺旋葉片磨損

由仿真結果及圖6可知，螺旋葉片尾端磨損較為嚴重，磨屑單元脫落產生磨痕，同時葉片外緣也有輕微磨損，這與現場工況下螺旋葉片磨損情況相吻合，如圖7所示，驗證了仿真結果的可靠性。

圖7 螺旋葉片磨損(現場工況)

圖8 螺旋葉片應力云圖

螺旋葉片應力最大值時云圖如圖8所示。其中最大的應力單元1203406應力值為1 014 MPa，周圍還存在一條應力值大于葉片抗壓屈服強度(766.67 MPa)的高應力帶，磨屑脫落產生犁溝狀磨損帶[15]。這主要是由于螺旋葉片在裝煤的過程中，一部分煤流經葉片的裝運堆積于葉片尾端與運輸機溜槽之間形成煤堆，煤堆中的較大煤顆粒及硬夾矸需要被葉片推擠從而獲得一定的流動性方能被順利排出，葉片受到較大的外部載荷，摩擦力增大，超過葉片表面材料的抗壓屈服強度，導致葉片尾端磨損最為嚴重。

通過LS-PREPOST4.2導出螺旋葉片接觸力RCFORC二進制文件[16]，獲得螺旋葉片工作載荷譜及磨損最大處振動節點位移曲線如圖9，10所示。

圖9 螺旋葉片工作載荷譜

圖10 節點位移曲線

由圖9可知，螺旋滾筒在截割賦存條件復雜的煤層時，螺旋葉片持續承受動態變化的載荷沖擊的影響。由圖10可知，磨損最大處振動測點X,Y方向存在著波動的節點位移，其中X向位移在±0.5 mm內波動，Y向位移則由-0.5 mm逐步增大且大于X向振幅，反映出葉片承受著較大的螺旋滾筒破煤時產生的振動影響，導致齒座下端的葉片外緣部分與夾矸煤巖發生接觸，產生部分附加磨損。通過LS-PREPOST4.2Toggle-deleted elements選項可將螺旋葉片磨損失效的單元重新顯示以獲得仿真時間內葉片磨損體積的變化(表3)，通過Matlab軟件對仿真數據進行擬合獲得螺旋葉片磨損體積隨時間變化的趨勢如圖11所示。

表3 螺旋葉片磨損體積

Table 3 Helical blade worn volume

時刻/s磨損體積/10-3mm30.52.741.06.081.58.042.09.232.510.803.011.403.511.804.01.21

圖11 螺旋葉片磨損體積隨時間變化趨勢

由表3和圖11可知，螺旋葉片的磨損量隨工作時間逐漸增大，但磨損速率卻隨工作時間逐漸減小。這是由于在磨損初期，法向載荷比較小，煤巖顆粒與螺旋葉片的實際接觸面積較小，夾矸煤內部的矸石等尖銳、鋒利的棱角與螺旋葉片表層金屬直接接觸，微觀切削作用效果明顯，磨損增速劇烈;隨著螺旋葉片表面不斷被磨損，其微觀輪廓趨于平整，與煤巖顆粒之間接觸較為緊密，微觀切削相對速度較慢，磨損速率逐漸降低。觀察不同時刻螺旋葉片磨損域的擴展情況如圖12所示，由圖12可知，1～2 s時刻葉片磨損域變化較為明顯，之后雖然磨損域也逐步擴展，但擴展速度相較之前放緩，這與磨損速率變化情況相一致。

圖12 螺旋葉片磨損域擴展

3 螺旋葉片磨損軌跡分析

螺旋葉片因制造工藝復雜且通過焊接手段進行裝配，一旦發生磨損失效，更換整個螺旋葉片不但費時費力而且會造成大量材料的浪費。利用激光增材技術可對磨損的螺旋葉片進行快速、精準的修復，這就需要獲得螺旋葉片磨損的軌跡信息[17]。

以磨損最為嚴重的螺旋葉片尾端為研究對象，其犁溝狀磨損帶近似一條空間曲線，方便磨損軌跡的獲取。利用LS-PREPOST4.2后處理軟件獲得以筒轂底面圓心為坐標原點的磨損失效單元空間坐標值見表4。

表4 磨損失效單元空間坐標值

Table 4 Spatial coordinates of abrasion failure elementsmm

磨損失效單元編號X軸坐標值Y軸坐標值Z軸坐標值1174.042.1494.02183.044.7489.53193.147.4484.44201.749.7480.05215.253.3473.66225.056.0467.7

在空間坐標系下利用Matlab軟件對表4磨損失效單元空間坐標值進行擬合，得到葉片尾端的磨損失效單元所對應的磨損軌跡如圖13所示，可見其近似為一條空間曲線，該磨損軌跡方程為

z=-75.941 4x2-1 043.955y2+563.157 7xy+

2 662.651 1x-9 884.458 7y-22 507.424 5

圖13 螺旋葉片磨損軌跡曲線

螺旋葉片尾端磨損軌跡方程可與激光掃描儀所測磨損點云數據進行對比，為激光熔覆過程中行走軌跡的設定提供參考，最終通過逐層堆積的方式對葉片尾端的犁溝狀磨損帶進行增材修復[18]。

4 結 論

(1)螺旋葉片尾端磨損最為嚴重，同時葉片外緣也存在一定程度的磨損。結合螺旋葉片應力云圖和載荷譜可知煤堆對葉片的擠壓作用造成葉片尾端的磨損失效;沖擊載荷引起葉片與夾矸煤巖接觸造成葉片外緣磨損失效。

(2)通過Matlab軟件對不同時刻螺旋葉片磨損失效體積進行數據處理，結果表明螺旋葉片的磨損量隨工作時間逐漸增大，但磨損速率隨著仿真時間的增加而逐漸放緩。結合磨粒磨損機理可知隨著磨損過程的逐步累積，葉片表面趨于平整，微觀切削作用減弱導致磨損速率逐漸放緩。

(3)獲得了螺旋葉片尾端磨損的軌跡方程，可與實測點云數據進行對比，為激光熔覆過程中行走軌跡的規劃提供參考。