煤岩特性对掘进机截割头载荷的影响分析.pdf

第 4 2卷 第 1 O期 2 0 1 6年 1 O月 工矿 自 动 化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 No ． 1 0 Oa t ． 2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 1 0 0 0 2 6 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 1 0 ． 0 0 6 李嫒嫒 ， 王海艳， 朱 青青， 等． 煤岩特性对 掘进机截 割头载荷 的影 响分析[ J ] ． 工矿 自动化， 2 0 1 6 ， 4 2 1 0 26 29 ． 煤岩特性对掘进机截割头载荷的影响分析 李媛媛 ， 王海艳 ， 朱青青 ， 董丽 ， 钟佩思 1 ． 青岛黄海学院 机 电工程学院，山东 青岛 2 6 6 4 2 7 ； 2 ． 山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 2 6 6 5 9 0 摘要 针对煤岩条件对掘进机截割头载荷的影响问题 ， 提 出采用有限元仿真方法对截割头截割过程进行 动态仿真分析 。以煤岩普 氏系数 为煤岩特性参数 ， 经仿真得到不同煤岩条件下的截割头动态载荷 ， 通过分析 得到 了截割头三向力随煤岩普氏系数的变化规律 ， 即截割头载荷随煤岩普氏系数的增加而增大， 且当煤岩的 普氏系数增大到一定程度时， 截割头的牵引阻力将成为截割头的最大载荷 ， 而侧 向力一直处于较低的水平。 关键词 掘进机 ； 截割头； 煤岩特性 ；栽荷分析；普氏系数 中图分类 号 TD 4 2 1 文献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 6 0 9 3 0 1 0 1 6 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ w ww． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 9 3 0 ． 1 0 1 6 ． O 1 6 ． h t ml I n f l ue n c e a n a l y s i s o f c o a l a nd r o c k p r o p e r t i e s o n r o a d he a de r c u t t i n g h e a d l o a d L I Yu a n y u a n ， W ANG Ha i y a n ， ZHU Qi n g q i n g ， DONG Li ， Z HONG Pe i s i 1 ． S c h o o l o f M e c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g，Qi n g d a o Hu a n g h a i Un i v e r s i t y，Qi n g d a o 2 6 6 4 2 7 ， Ch i n a；2． Sc h o ol o f M e c ha n i c a l a nd El e c t r o n i c Eng i n e e r i n g，Sh a nd o ng Uni v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，Qi n g d a o 2 6 6 5 9 0，Ch i n a Ab s t r a c t Fo r i n f l ue nc e o f c o a l a nd r o c k c on di t i o ns o n r o a dh e a d e r c u t t i n g he a d l o a d，f i n i t e e l e m e nt s i m ul a t i o n me t h od wa s pr o po s e d t o s i mul a t e d y na mi c c u t t i ng p r o c e s s of c ut t i ng he a d． Dy n a mi c c u t t i ng l oa ds we r e go t t e n u nde r d i f f e r e n t c o a l a n d r o c k c o n di t i o ns b y t a k i ng f i r m ne s s c o e f f i c i e n t a s c oa l a nd r o c k pr o pe r t y p a r a me t e r ，a n d r e l a t i o ns hi p b e t we e n t h r e e a x i s f or c e o f c u t t i n g he a d a n d f i r mne s s c o e f f i c i e n t wa s 收稿 日期 2 0 1 6 - 0 4 2 1 ； 修 回日期 2 0 1 6 0 8 2 O ； 责任编辑 李明 。 基金项 目 山东省 自然科学基金资助项 目 Z R 2 0 1 5 E M0 4 2 。 作者简介 李嫒嫒 1 9 7 9 一 ， 女， 山东莱州人 ， 副教授 ， 硕士， 主要从事机械设 计制造与仿真研究方面的工作 ， E - ma i l l i y u a n y u a n o 9 0 8 1 6 3 ． c o m。 [ 7] [8] [9 ] c ont r o l u s i ng t h e r ma l i nf r a r e d ba s e d s e a m t r a c k i n g [ C ] ／ ／ I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Au t o ma t i o n S c i e n c e E n g i n e e r i n g ，S e o u l ， 2 0 1 2 2 0 2 5 ． QUAN G T， TAN C， H0U H C， e t a 1 ． Cu t t i n g p a t h p l a n n i n g o f c o a l s h e a r e r b a s e o n p a r t i c l e s wa r m t r i p l e s p l i n e o p t i mi z a t i o n I- J ] ． C o a l S c i e n c e Te c h n o l o g y 。 2 0 1 1 3 7 7 7 9 ． FAN Q G， LI W ， WANG Y Q， e t a 1 ． C o n t r o l s t r a t e g y f o r a n i n t e l l i g e n t s h e a r e r h e i g h t a d j u s t i n g s y s t e m[ J ] ． Mi n i n g S c i e n c e＆ Te c h n o l o g y ， 2 0 1 0 ， 2 0 6 9 0 8 9 1 2 ． S U X P。LI W ． S l i d i n g mo d e r o b u s t n e s s c o n t r o l s t r a t e g y o f s h e a r e r h e i g h t a d j u s t i n g s y s t e m u n d e r g r o u n d c o a l mi n e s [ J ] ．J o u r n a l o f T h e o r e t i c a l Ap p l i e d I n f o r ma t i o n Te c h n o l o g y，2 0 1 3 ， 1 2 2 l, l O ] [ 1 1 ] 1, 1 2 ] [ 1 3 ] 30 4 3 08 ． KHATI B O． Re a l t i me o bs t a c l e a v oi d a nc e f or ma n i p u l a t o r s a n d mo b i l e r o h o t s l, J ] ．I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Ro b o t i c s Re s e a r c h， 1 9 8 5 ，1 5 5 0 0 - 5 0 5 ． LI C，J I ANG X，WANG W ，e t a 1 ．A s i mp l i f i e d c a r - f o l l o wi n g mo d e 1 b a s e d o n t h e a r t i f i c i a l p o t e n t i a l f i e l d I- J ] ． P r o c e d i a E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 6 ， 1 3 7 1 1 3 2 0 ． S UN L G，B I S S ER C C D， CHU Q P，e t a 1 ．A n o v e 1 o n l i n e a d a p t i v e k e r n e l me t h o d wi t h k e r n e l c e n t e r s d e t e r mi n e d b y a s u p p o r t v e c t o r r e g r e s s i o n a p p r o a c h [ J ] ． Ne u r o c o mp u t i n g ， 2 0 1 4 ， 1 2 4 2 1 1 1 - l 1 9 ． J I N Z。HE W． L o c a 1 l i n e a r r e g r e s s i o n o n c o r r e l a t e d s u r v i v a l d a t a r J ] ．J o u r n a l o f Mu l t i v a r i a t e An a l y s i s ， 2 O 1 6 ，1 4 7 6 2 8 5 2 9 4 ． 2 0 1 6年第 1 0期 李媛媛等 煤岩特性对掘进机截割头载荷 的影响分析 2 7 de r i ve d．The a na l y s i s r e s ul t s s ho w t ha t c ut t i ng h e a d l o a d i nc r e a s e s a l o ng wi t h i nc r e a s i ng of f i r m n e s s c o e f f i c i e nt ，a nd t r a c t i o n r e s i s t a nc e o f c ut t i ng h e a d i s t h e l a r g e s t l oa d whe n f i r mne s s c o e f f i c i e nt o f c o a l a nd r oc k i n c r e a s e s t o a c e r t a i n v a l ue ，whi l e s i de r e s i s t a nc e i s a l wa y s a t a l o w l e v e 1 ． Ke y wo r ds r o a dhe a de r；c ut t i ng he a d；c o a l a nd r o c k pr o p e r t y；l oa d a na l y s i s；f i r mne s s c oe f f i c i e nt 0 引言 在机械化掘进过程中有许多因素都会影响掘进 机的性能， 主要包括煤岩 的物理性质和掘进机本身 的结 构参 数 。截 割头 作 为掘 进机 直接 作用 于 煤岩 的 工作机构 ， 因工作环境 恶劣 ， 截齿磨损、 合金刀头脱 落甚至截齿折断或丢失等失效形式经常发 生 ， 在一 些掘进工作面还会 出现截割硬度不适应 的现象， 导 致截齿不能合理利用_ 1 ] 。 有 关掘 进机 破 岩方 面 的研究 大 多集 中于碎 岩效 果 的分 析及 掘进 机 械本 身结 构方 面 。 陈文莉 等 L 2 以 破 碎 的岩 片为研 究 对 象 ， 分 析 了不 同掘 进 机 械 作 用 下岩片的粒度及分布规律 ； 宋克志等[ 3 ] 通过 概率统 计理论方法对岩碴 尺寸及粒径分布进行 了研究 ， 掌 握 了岩石特 性 和机械 参数 对其 分布 规律 的影 响 ； H．C o p u r [ 4 等通过研究 证明 了在最佳切 削条件下 截 割 比能 耗 与岩 石单 轴抗 压强 度 和抗 拉强 度密 切相 关 ； K．S e r h a t L 5 ] 研究 发 现岩石 的特 性对 截 割 头 瞬 时 截割 率及 截 割 比能 耗 具 有 重要 影 响 ； N．B i l g i n l 6 等 对倾斜工作面的隧道掘进进行 了研究 ， 分析了一些 地质和煤岩条件对 掘进机截割性能 的影响 。然 而， 国内的研究者对于煤岩条件对截割头 的载荷影 响没 有进行系统的阐述 ， 国外研究者大多采用实地试验 的方 法 进行 研究 ， 但 受 截 割 头 工 作 环 境 及 国 内煤 矿 地质条件复杂等 因素制约 ， 在 国内进行试验的难度 较大[ 7 ] 。在不同条件的煤岩掘进工作 面， 如何选取 合适型号的掘进机械是煤炭开采领域亟需解决的问 题 。本 文针 对 煤岩 条 件 对 截 割 头 载 荷 的 影 响 ， 选 用 普氏系数作为煤岩特性 的定量表征 ， 采用动力学仿 真方法对截割头破岩过程进行研究 ， 并对煤岩特性 对掘进机截割头载荷的影响程度进行比较分析。 1 截割头载荷计算 1 ． 1 截 齿 受力计 算 对于截齿切削岩石， 常采用载荷计算公式[ 1 ] f P 。 f pE k T k k 0 ． 2 50 ． 1 8 t h 0 ． 1 S ] P 一 P O ． 1 5 0 ． 0 0 0 5 6 2 ． 5 ／ h 1 【 P 一 P [ c 1 ／ C 2 C 3 ] h i t 式 中 P ， P ， P 分别为截割头上第 i个截齿上 的 截割阻力 、 牵引阻力 、 侧向力 ； P为岩石 的接触强度 ； k 为截齿类 型系数 ； k 为截齿几何形 状系数 ； k 为 刀杆头部形状系数 ； t 为平均截线 距； h为平均切削 厚度 ； S为截齿后 刃面在牵引方 向的投影面积； C ， C 。 ， C 。 为 切屑 影 响系数 。 式 1 中除 P外 ， 其余参数值均可按照参考文 献E 1 ] 选取 。岩石的接触强度 P与岩石的普氏系数 ，存在一定的对应关系， 见表 1 。 表 1 P与 ，的对应关 系 f 3 4 5 6 7 8 p ／ MP a 2 3 0 3 5 0 4 9 0 6 5 0 8 0 0 1 0 0 0 根据 式 1 及 表 1 ， 可 绘 制 截 齿 所 受 的 截 割 阻 力、 牵引阻力 、 侧向力与普 氏系数 - 厂的关 系曲线 ， 如 图 1所示 。可看出截齿 的截割阻力、 侧 向力 与普 氏 系数呈线性相关 ， 随着煤岩普氏系数的增大， 截割阻 力和侧向力变大 ； 截齿 的牵引阻力 随普 氏系数的增 大呈指数形式增长。 图 1截 齿 截 割 阻 力 、 牵 引 阻 力 和侧 向 力 与 晋 氏 系 数 的 关 系 1 ． 2 截割 头载荷 计算 根据单个截齿 的受力计算 ， 将截割头任意 时刻 参与截割的各截齿受力合成 ， 可求得截割头所受载 荷 的理论 值 。 由于 实 际截割 头模 型较 复杂 ， 为便 于分 析 ， 建立 以截 割头 的 回转 中心轴 为 c轴 的坐标 系， 得 到如 图 2所示的截割头受力示意。 为截割头转速 ； ， 分别 为截 割 头钻进 和 进给 速度 。 截割头在 3 个坐标轴方 向所受的合力分别为 f R 一∑ P c o P s i n l { R 一∑ P s i n 一P c o 2 I 【 R 一∑P 2 8 工矿 自动化 2 0 1 6 年 第 4 2卷 图 2截 割 头 受 力 不 意 式中 为该时刻参与截割的截齿数 ； 为第 i 个截 齿 的位 置角 。 从 式 1 、 式 2 可看 出 ， 煤 岩特性 对截 割头 的载 荷有影响。由于截割头载荷是动态变化 的， 理论公 式无法全面、 真实地反映截割头工作过程中截割头 的受力情况， 所以本文在传统理论分析基础上， 提出 采用有限元仿真方法对截割过程进行动力学仿真 ， 以获取 截 割头截 割煤 岩 过 程 中的动 态 载 荷 ， 并 在此 基础 上对不 同煤 岩特性 下截 割头 载荷进 行研究 。 2 截 割过 程有 限元仿 真 2 ． 1材料 参数 的定 义 煤岩的单轴抗压强度 与普氏系数 ，的关系 fc一 1 0 f 3 煤 岩 的弹性 模 量 E 与单 轴抗 压 强度 _厂 c的 关 系r 8 ] E 一 0 ． 0 4 3 p ’ ／ ， 4 式 中 为煤 岩破坏 前 的密度 。 由弹性理论可知 ， 煤岩的剪切模量 G与弹性模 量 E 满足关 系 G E ／ 2 1 u 5 式 中 为材 料 的泊松 比 。 由式 3 一式 5 可知 ， 煤岩的剪切模量 G与普 氏系数 -厂的关系 G 一 0 ． 0 4 3 p o 2 1 u 6 对于截割头的材料参数， 综合考虑仿真时间及 截割接触的力学行为 ， 分析过程中将截割头整体作 为一个刚性体 ， 材料参数选取直接参与截割的合金 刀头的参数， 材料参数见表 2 。 2 ． 2 截割头截割有限元建模 截割头的主要参数包括截割头的长度 、 直径 、 锥 角 、 螺旋叶片的头数与截齿数量 等。 掘进机截割头 表 2 材料参数 的结构参数见表 3 ， 本文根据该组参数建立截割头 的有限元模型。煤岩模型采用有限体积的长方体代 替 ， 在其不被截割表面添加无反射边界条件 ， 可以模 拟无限大体积 的煤岩 ， 分析过程 中煤岩和截割头均 选 用 S O L I D I 6 4单元 。 表 3 掘进机截 割头的结构参数 采用智能 自由网格划分方法对截割头进行网格 划分 ， 因煤岩模型形状简单 ， 采用 扫掠网格 划分方 式 。划 分 完 网 格 后 ， 定 义 截 割 头 和 煤 岩 为 2个 P AR T， 设定它们之 间的接触类 型为面与面接触 中 的侵蚀 接触 。建立 的截 割头截 割 有 限元模 型如 图 3 所 示 。 图 3截 割 头截 割有 限兀 模 型 2 ． 3加 载 、 约 束及 求解 针 对截 割头 截割 有 限元 模 型 ， 设定 截 割 头转 速 为 3 6 r ／ mi n ， 横切速度为 1 ． 5 m／ mi n ， 限制截割头的 其他 自由度 。根据截割头截割煤岩的速度及 自身转 速 ， 设定求解时间为 1 0 s 。选择合理的质量缩放因 子 ， 时间步长因子为 0 ． 9 。输 出模 型关键字 k文件 ， 在 k文件 中修改 煤岩 的材料 模 型 ， 并 设定 相 应 的破 坏参数 MAT AD D E RO S I ON为剪应变 值0 ． 0 3 。 完 成所 有操作后 提交 求解 。 为 了分析 不 同煤 岩特性 下掘进 机截 割头 的截割 载荷规律 ， 分别取普氏系数 -厂 一3 8的煤岩材料进 行仿真 ， 以获得不同煤岩特性下截齿和截割头的载 荷特性。 2 0 1 6年第 1 O期 李媛媛等 煤岩特性对掘进机截割头载荷 的影响分析 2 9 3 煤 岩 特性 对截 割 头载 荷 的影 响分析 为 了获取 不 同煤 岩特 性下 截 割头 的三 向力 变化 规律 ， 统 计普 氏系 数 厂一3 8时截 割 头受 到 的 三 向 力最大值及平均值 ， 得到不 同普 氏系数下截 割头截 割煤岩载荷统计值 ， 见表 4 。可看 出不 同普 氏系数 下截割头受到的截割阻力和牵引阻力的最大值及平 均值都比侧向力大很多； 随着普氏系数的增加 ， 三向 力也 呈现 增 大趋势 。根据表 4数 据绘 制截 割头 三 向 力最大值 及平 均值 与普 氏系数 - 厂的关 系 曲线 ， 如 图 4 、 图 5所示 。 表 4 截 割头截割煤岩载荷统计值 从 图 4 、 图 5可 看 出 ， 截 割 头三 向力 最 大值 的变 化规律与理论上单个截齿受力 的变化规律一致 ， 但 相关 性不 如单 个 截 齿 的 变化 规 律 明显 ； 截 割 头 三 向 力平均值 随普 氏系数 的增大 而线性增大 。分析 可 知 ， 随着 煤岩 坚 固性 的增 强 ， 截 割 难 度 增 大 ， 截 割 头 的载荷显著增加 ， 但三向力增加的速率不同， 当煤岩 的普 氏系数增大到一定程度时， 截割头的牵引阻力 将成 为 截割 头 的最 大 载 荷 ， 而 侧 向力 一 直 处 于 较 低 的水 平 。因此 ， 在破 碎较 硬 的岩 石时 ， 在保 证截 齿 性 能的前提下 ， 应增大截割头 的截割功率来保证截割 效 率 。 图 4 截割头三 向力 最大值与普 氏系数 ，的关系 图 5 截割 头三向力平均值与普 氏系数 厂的关 系 4 结语 采用数值模拟方法对煤岩截割过程中截割头的 载荷进行了分析 ， 得 出其随煤岩特性的变化规律 截 割头载荷随煤岩普 氏系数 的增加而增大 ， 且 当煤岩 的普 氏系数增 大 到一 定 程 度 时 ， 截 割 头 的牵 引 阻力 将成 为截 割 头 的最大 载荷 ， 而侧 向力 一 直处 于较 低 的水 平 。 针对不 同的煤岩地质条件 ， 应设定相应的煤岩 参数进行截割仿真试验 ， 以精确获取截割头载荷 ， 为 不 同地质条件下掘进机截割头的选型提供依据 。 参 考文献 E 1 ] 李晓豁． 掘进机 截割 的关键 技术 研究 [ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． E 2 1 陈文莉 ， 福井 胜则 ， 大久保 诚介． 关于 掘进 机械破 碎岩 片 的研 究 E J ] ． 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 ， 2 0 0 3 ， 2 2 6 1 03 7- 1 04 3． [ 3 ] 宋克志 ， 季立光 ， 袁大军 ， 等． 盘形滚刀切割 岩碴 粒径分 布规律研究[ J ] ． 岩石力学 与工程学报 ， 2 0 0 8 ， 岩石力学 与工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 增 刊 1 3 0 1 6 3 0 2 2 ． [ 4 ] C 0 P UR H，TUNC DE MI R H，B I L GI N N，e t a 1 ． Spe c i f i c e ne r gy a s a c r i t e r i o n f or t he us e of r a pi d e x c a v a t i o n s y s t e ms i n Tu r k i s h mi n e s [ J ] ．Tr a n s a c t i o n s o f t h e I n s t i t u t i o n o f M i n i n g a n d M e t a l l u r g y ，2 0 0 1 ， 1 1 0 9 ／ 1 O 1 4 9 1 5 7 ． [ 5 ] S E RHAT K． C u t t i n g p e r f o r ma n c e a s s e s s me n t o f a me d i u m we i g h t r o a d h e a d e r a t C a y i r h a n c o a l mi n e [ D] ． Anka r a M i dd l e Eas t Te c hni c a l Uni ve r s i t y， 20 05 ． [ 6 ] B I L G I N N，D I NC E R T，C OP UR H，e t a 1 ． S o me g e o l o g i c a l a n d g e o t e c h n i c a l f a c t o r s a f f e c t i n g t h e p e r f o r ma n c e o f a r o a d h e a d e r i n a n i n c l i n e d t u n n e l [ J ] ． Tu n n e l i n g a n d Un d e r g r o u n d S p a c e Te c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ， 1 9 6 6 2 9 - 6 3 6 ． [ 7 ] 钱 七 虎． 岩 石 力 学 与岩 石 工 程 学 科 发 展 报 告 [ R] ． 北京 中国科学技术协会 ， 2 0 1 0 ． [ 8 3 张凤国 ， 李 恩征 ． 混凝土撞击损伤模型参数的确定 方法 [ J ] ． 弹道学报 ， 2 0 0 1 ， 1 3 4 1 2 1 6 ．