全斷面掘進過程中貫入度不同對切削性能的影響分析

王 龍

（晉能控股集團同家梁礦，山西 大同 037001）

引言

我國具有儲量豐富的地下煤層資源，煤礦企業進行煤炭的開采生產之前，巷道的掘進是首要工作，隨著煤炭開采技術發展，巷道的掘進效率提升有限，容易造成采掘比的失衡，影響煤礦的生產效率。全斷面掘進機是進行巷道掘進的重要設備，在巷道的掘進中可以避免鉆爆法掘進產生的污染氣體[1]，不僅可改善工作面的生產環境，還可以減少掘進過程中產生的擾動，有利于巷道的支護。在進行全斷面掘進的過程中，刀盤的磨損對掘進的效率具有直接的影響，更換及檢修刀具需要占用大量的時間，降低掘進的效率。貫入度作為掘進的重要參數，影響刀盤的受力狀態[2]，從而對掘進效率產生影響。為進一步提高巷道全斷面掘進的效率，針對掘進中的貫入度對刀盤的切削性能產生的影響進行分析，從而選用合理的貫入度參數，改善刀盤的受力狀態，提高掘進的效率[3]，提高煤礦的生產效率。

1 全斷面掘進刀盤切削模型的建立

采用ABAQUS 有限元分析軟件對刀具的切削性能進行分析，ABAQUS 具有強大的非線性分析技術及較高的可靠性能，支持多種類型的材料模型[4]，且對于各類巖土材料的本構模型具有較好的描述，能夠處理不同的材料及大變形的接觸問題，適用于對刀盤掘進的過程進行分析。

對全斷面掘進過程中的切削性能進行分析，采用廣泛使用的43.18 cm（17 英寸）常截面盤形滾刀作為分析對象，掘進破巖過程中與巖層接觸的主要是刀具的刃部[5]，在進行建模時僅需對滾刀的刀圈結構進行建模。建立滾刀刀盤的破巖模型，巖石采用圓心角為20°，內徑為750 mm，外徑為1 000 mm的部分扇形體，在滾刀與巖層的接觸區域進行巖層的網格加密處理，采用線性縮減積分單元進行網格的劃分處理[6]，得到網格化模型如圖1 所示。

圖1 全斷面掘進刀盤切削網格模型

在模型中為保證刀具的順次回轉切削，設置兩個分析步驟進行模擬切削[7]，首先進行1 號刀的回轉切削，此時2 號刀固定約束；然后再進行2 號刀的回轉切削，此時1 號刀固定約束。滾刀破巖過程中的受力作用，一般分解為法向力、切向力及側向力三個方向的作用力，由于側向力一般數值較小，對刀具的切削性能影響較小，因此僅考慮法向力和切向力的作用。切削過程中的切削力不斷波動變化，為對比不同的貫入度下切削性能的變化[8]，對輸出的切削力采用均值處理的方式進行對比，并對切削過程中的比能進行分析。盤形滾刀進行切削的過程中，滾動方向消耗的切削能量較高，而推力方向消耗的能力相對較小忽略不計[9]，切削過程中的比能可以通過下式計算：

式中：SE為切削過程比能，MJ/m3；MRF為平均的切向力，kN；L 為滾刀的切削距離，mm；V 為切削過程切削的巖石體積，cm3。

在進行模擬計算的過程中，將兩個刀具設定為剛體進行約束，其質心分為幾何中心RP1 和RP2，在全局坐標系中分別建立兩個刀具的參考坐標系，保證刀具的自轉及公轉，限制其他方向的自由度。刀具與巖層之間以面接觸的形式，以刀刃為主面，巖層上部分的節點區域為從面，選擇罰接觸函數作為運動約束方程，以有限滑移為滑移方程[10]，選擇切向行為的摩擦系數為0.2，法向接觸為硬接觸[11]。巖層的性質設定為均質的各向同性材質，以切削花崗硬質巖層為研究對象，設定其彈性模量為42.3 GPa，抗壓強度為183 MPa，抗拉強度為9.8 MPa，泊松比為0.18[12]。

2 不同貫入度切削性能的模擬分析

不同的貫入度對全斷面掘進過程中的切削性能具有不同的影響，從而影響掘進的速度和掘進效率。在所建立的切削模型中，改變滾刀的貫入度，設定貫入度切深為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm 分別進行滾刀的切削仿真。在分析過程中，為綜合考慮刀具的切削性能，對兩個刀刃之間不同的刀間距離進行分析，選擇刀間距s 分別為28 mm、40 mm、48 mm、60 mm、72 mm、80 mm，進行不同組合下的模擬分析。以貫入度為4 mm、刀間距為40 mm 時為例，其切削過程如圖2 所示，對不同貫入度下的切向力、法向力及比能變化進行輸出。

圖2 4 mm 貫入度切削模擬巖層變化

對切削過程中的切向力和法向力進行分析，在不同的貫入度下切向力及法向力的變化如圖3 所示。從圖3 中可以看出，隨著貫入度的增加，切向力和法向力均呈近似于線性增加的趨勢。在切向力的變化中，隨著貫入度的增加，只有28 mm 的刀間距時，在貫入度較大時，切向力呈先增加后減小的趨勢，且減小值較大，其他情況下的切向力均呈增加的趨勢，在貫入度較大時，切向力的變化不大；在法向力的變化中，隨著貫入度的增加，法向力的增加顯著，且貫入度值越大，切向力的增加越大。在貫入度增加的過程中，隨著切深的增加，刀具進行破巖所需的推力越大，同時滾刀刀具的側面與巖層的接觸面積逐漸增加，產生的側面摩擦力更大，因此法向的切削力逐漸增加；在進行破巖的過程中，對貫入度大的巖層進行破巖所需對巖層的做功越大，對刀具的扭矩要求越大，引起切向力的增加。

圖3 切削力隨貫入度的變化

對全斷面掘進過程中消耗的比能進行分析，得到如圖4 所示的比能變化曲線。從圖4 中可以看出，隨著貫入度的增加，比能呈明顯的下降趨勢，這說明在貫入度的過程中，產生了較大的切削力及破巖的體積，兩者的比值逐漸減小，從而降低了切削所需的比能，有利于提高掘進效率。

圖4 比能隨貫入度的變化曲線

3 結語

在全斷面掘進過程中，隨著貫入度的增加，切向力及法向力呈線性增加的趨勢，而消耗的比能呈顯著減小趨勢，這說明，提高貫入度有利于降低消耗的比能，提高掘進效率。同時，對貫入度的值不能無限提高，切削力的增加不利于刀具的使用壽命，容易引起刀具的磨損。因此，在進行貫入度選擇時，應依據工況條件進行合理設置，提高煤礦掘進綜合效率。