截齿截割煤岩的热--机械耦合动力学行为研究.pdf

万方数据 万方数据 学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文， 是本人在导师的指导下， 独立进行 研究所取得的成果。 除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含其他个人 或集体已发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解太原理工大学有关保留、使用学 位论文的规定学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复 印件和电子版； 允许本学位论文被查阅和借阅； 学校可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或其他复制手 段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于保密 □ 在 年解密后适用本授权书 不保密 ☑ 论文作者签名 导师签名 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 万方数据 万方数据 硕士学术学位、硕士非工程类专业学位 学位论文答辩信息表 论文题目 截齿截割煤岩的热-机械耦合动力学行为研究 课题来源* 省科技厅项目 论文答辩日期 2020 年 6 月 11 日 答辩秘书 刘枫彬 学位论文答辩委员会成员 姓名 职称 博导/硕导 工作单位 答辩委员 会主席 常宗旭 教授 硕导 太原理工大学 答辩委员 1 任芳 副教授 硕导 太原理工大学 答辩委员 2 张耀成 副教授 硕导 太原理工大学 *课题来源可填国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、国家社 科基金项目、教育部人文社科项目、国家其他部委项目、省科技厅项目、省 教育厅项目、企事业单位委托项目、其他 万方数据 万方数据 摘 要 I 截齿截割煤岩的热-机械耦合动力学行为研究 摘 要 截齿是采掘机械截割机构上破碎煤岩的刀具，其性能的好坏直接决定 着采掘机械的工作效率。 截齿工作中与煤岩直接接触进行相互作用， 工作环 境恶劣，载荷复杂多变， 是采掘机械上最容易损坏和更换量最大的零件。 因 此， 以煤岩截割理论为基础， 根据截齿结构参数及实际生产工况建立仿真模 型， 模拟截割煤岩的动态过程， 研究截齿不同参数对其应力及温度分布的影 响，在优化截齿及改善截齿性能方面具有重要意义。 本文以镐型截齿为研究对象， 利用 ABAQUS 有限元软件对截齿截割煤 岩过程进行模拟， 分析了截齿截割速度、截割厚度、 齿尖锥角及安装角对截 齿应力及其变化规律的影响。结果表明截割速度增大， 对截齿的高应力区 域位置无明显影响，但截齿应力极值增大；当截割厚度超过 15 mm 时，随 截割厚度增大，截齿应力极值基本不变，但其应力均值和标准差均增大； 齿 尖锥角增大， 截齿应力峰值减小， 且高应力区域位置由齿尖向齿体方向移动。 齿尖锥角为 75时， 截齿应力标准差最小， 载荷波动最小； 安装角的改变， 对截齿的应力极值的大小无明显影响，但对截齿的高应力区域位置有明显 影响。安装角为 45时的均值与标准差均比安装角为 40、50及 55时 小。 对截割过程进行热-机械耦合分析，得到截齿截割速度、截割厚度、齿 尖锥角及安装角对截齿温度分布及其变化规律的影响截割速度及截割厚 度增大，截齿高温区域面积、温升速度及平衡温度三者均随之增大， 高温区 域位置无明显变化； 随齿尖锥角及安装角增大， 截齿高温区域位置由齿尖逐 渐变为齿体， 齿尖锥角增大， 截齿温度分布面积增大但高温区域面积呈减小 趋势， 且平衡时温度略有降低； 随截齿截割温度的升高，其应力均值及标准 差成增大趋势。 通过分析研究得出了截齿截割速度、 截割厚度、 齿尖锥角及安装角对截 齿截割性能及耐磨性的影响，为合理选择截齿工作参数及开发高效长寿命 的截齿提供了参考和依据。 关键关键词词截齿；应力；温度分布；热机械耦合；有限元 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 II 万方数据 ABSTRACT III ABSTRACT The cutting tooth is a cutting tool for crushing coal and rock on the cutting mechanism of mining machinery. In the cutting tooth work, it interacts with coal and rock in direct contact. The working environment is harsh and the load is complex and changeable. Therefore, based on the cutting theory of coal and rock, a simulation model is established according to the structure parameters of the cutting teeth and the actual production conditions, to simulate the dynamic process of cutting coal and rock, and to study the influence of different parameters of the cutting teeth on its stress and temperature distribution, which is of great significance in optimizing the cutting teeth and improving the perance of the cutting teeth. In this paper, the pickaxe cutter is used as the research object, and the process of cutting coal and rock is simulated by ABAQUS finite element software. The results show that the higher cutting speed has no obvious effect on the position of the high stress area of the cutting tooth, but the higher the stress extreme value of the cutting tooth, the higher the number of impact times per unit time with coal and rock. When the cutting thickness exceeds 15mm, the extreme stress value of the cutting tooth is basically unchanged with the increase of the cutting thickness, but the mean and standard deviation of the stress increase. The higher the cone Angle of tooth tip, the smaller the stress peak of truncated tooth. When the tooth tip Angle is 75 , the stress standard deviation of the truncated tooth is the smallest and the load fluctuation is the smallest. The change of installation Angle has no significant effect on the stress extreme value of the truncated teeth, and the mean and standard deviation of installation Angle at 45 are smaller than those at 40 , 50 and 55 . Thermal mechanical coupled analysis was carried out on the cutting process, and get pick cutting speed, cutting thickness, tooth taper Angle and installation Angle of the cutter tooth temperature distribution and its variation law the influence of cutting speed and cutting thickness, cutting tooth high temperature area, temperature rise rate and equilibrium temperature increase, high temperature zone position has no obvious change; With the increase of the tooth cusp Angle 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 IV and the installation Angle, the position of the high temperature region of the truncated tooth gradually changed from the tooth tip to the tooth body, the tooth cusp Angle increased, the temperature distribution area of the truncated tooth increased, but the area of the high temperature region decreased, and the temperature decreased slightly at equilibrium. The mean value and standard deviation of the stress increased with the increase of the cutting temperature. The influence of cutting speed, cutting thickness, taper Angle and installation Angle on cutting perance and wear resistance of cutting teeth is obtained through analysis and research. Key Words Truncated tooth; Stress; Temperature distribution; Thermo- mechanical coupling; Finite element 万方数据 目 录 V 目 录 摘 要 ......................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................. III 第一章 绪 论 ........................................................................................................................ 1 1.1 课题的研究背景与意义 ............................................................................................... 1 1.2 国内外研究动态 ........................................................................................................... 2 1.2.1 理论研究 ................................................................................................................ 2 1.2.2 仿真研究 ................................................................................................................ 3 1.2.3 目前研究中存在的不足 ........................................................................................ 5 1.3 课题主要研究内容 ....................................................................................................... 5 第二章 煤岩截割力学理论基础 ............................................................................................ 7 2.1 引言 ............................................................................................................................... 7 2.2 煤岩物理力学性能 ....................................................................................................... 7 2.2.1 煤岩的形成与特性 ................................................................................................ 7 2.2.2 煤岩的物理机械性能 ............................................................................................ 7 2.2.3 煤岩综合物理力学性能评定指标 ........................................................................ 9 2.3 截齿截割煤岩原理 ....................................................................................................... 9 2.3.1 煤岩拉伸破坏模型 .............................................................................................. 10 2.3.2 煤岩剪切破坏模型 .............................................................................................. 10 2.3.3 煤岩拉剪联合模型 .............................................................................................. 11 2.4 截齿截割载荷 ............................................................................................................. 14 2.5 截齿的失效形式 ......................................................................................................... 16 2.5.1 截齿磨损 .............................................................................................................. 16 2.5.2 硬质合金头脱落 .................................................................................................. 18 2.5.3 齿体弯曲折断 ...................................................................................................... 19 2.5.4 提高截齿寿命的措施 .......................................................................................... 19 2.6 本章小结 ..................................................................................................................... 20 第三章 截割仿真模型的建立 .............................................................................................. 21 3.1 引言 ............................................................................................................................... 21 3.2 有限元仿真理论基础 ................................................................................................. 22 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 VI 3.2.1 ABAQUS 有限元软件简介 ................................................................................ 22 3.2.2 ABAQUS 有限元分析基本流程 ........................................................................ 23 3.2.3 煤岩模型 .............................................................................................................. 23 3.3 模型的建立 ................................................................................................................. 24 3.3.1 实体模型的建立 .................................................................................................. 24 3.3.2 煤岩与截齿材料参数设置 .................................................................................. 26 3.3.3 截齿和煤岩装配过程 .......................................................................................... 26 3.3.4 分析步及输出参数设置 ...................................................................................... 27 3.3.5 设定载荷及边界条件 .......................................................................................... 28 3.3.6 相互作用及属性 .................................................................................................. 29 3.3.7 划分网格 .............................................................................................................. 30 3.3.8 提交分析作业与后处理 ...................................................................................... 31 3.4 本章小结 ..................................................................................................................... 34 第四章 动力学仿真结果分析 .............................................................................................. 35 4.1 引言 ............................................................................................................................. 35 4.2 截割速度对截齿载荷的影响 ..................................................................................... 35 4.3 截割厚度对截齿载荷的影响 ..................................................................................... 38 4.4 齿尖锥角对截齿载荷的影响 ..................................................................................... 42 4.5 安装角对截齿载荷的影响 ......................................................................................... 45 4.6 本章小结 ..................................................................................................................... 48 第五章 截割过程的热-机械耦合分析 ................................................................................ 51 5.1 引言 ............................................................................................................................. 51 5.2 热分析原理 ................................................................................................................. 51 5.2.1 传热分析理论基础 .............................................................................................. 52 5.2.2 热应力分析基本原理 .......................................................................................... 55 5.3 热-机械耦合模型的建立 ........................................................................................... 57 5.4 仿真结果分析 ............................................................................................................. 58 5.4.1 截割速度对温度场的影响 .................................................................................. 58 5.4.2 截割厚度对温度场的影响 .................................................................................. 60 5.4.3 齿尖锥角对温度场的影响 .................................................................................. 62 5.4.4 截齿安装角对温度场的影响 .............................................................................. 64 万方数据 目 录 VII 5.4.5 温度对截齿载荷的影响 ...................................................................................... 66 5.5 本章小结 ..................................................................................................................... 68 第六章 结论与展望 .............................................................................................................. 71 6.1 工作总结 ..................................................................................................................... 71 6.2 主要结论 ..................................................................................................................... 71 6.3 课题展望 ....................................................................................................................... 72 参考文献 .................................................................................................................................. 73 攻读学位期间取得的研究成果 .............................................................................................. 77 致 谢 ...................................................................................................................................... 79 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 VIII 万方数据 绪 论 1 第一章 绪 论 1.1 课题的研究背景与意义 有“工业粮食”之称的煤炭是分布最广的化石能源，也是各国使用量最大的能源。煤 炭的生产量是衡量一个国家工业发展程度的标准。煤炭在我国的一次能源消费中占比高 达 70以上，比世界一次能源消费中的平均煤炭占比高一倍还多[1]。煤炭既是国民生活 的常用的一种燃料，也是工业生产重要原料之一。目前，从煤炭中通过各种工业技术手 段提取出来的产品高达 200 多种，这些产品都是生产制造国家发展及提高国民生活水平 的必需品的重要原料。因此，推动煤炭行业进行现代化改革，加速其现代化发展进程， 对煤矿采掘装备进行更深入的研究势在必行。改进煤炭行业的生产方式和生产技术，实 现煤矿开采过程的现代化和机械化，提升煤炭的生产效率，降低生产费用[2]。 采煤机和掘进机是煤矿开采中最常用的设备，也是煤矿进行现代化及机械化改革的 关键设备。 采煤机主要进行截煤和装煤工作， 掘进机主要进行巷道的快速掘进。 工作中， 二者截割部上的刀具（截齿）直接与煤岩相互作用，对煤岩进行破碎，电机的能量大部 分被用于截齿对煤岩的破碎过程[3]。恶劣的工况，复杂多变的载荷，再加上国内对截齿 的研究制造起步较晚，各方面技术水平未达到国际先进水平，使得截齿成为了煤矿开采 机械上的易损件，也是消耗量最大的零件。相关数据显示，每生产 1 万吨煤，平均损坏 更换截齿 400 至 1300 把左右，2019 年中国原煤产量约 38.5 亿吨，因此在煤矿开采中截 齿的损耗数量特别庞大。在截齿的失效中，由于齿体部分过度磨损及焊接连接失效现象 所引起的截齿失效较为严重[4]。面对截齿的大量消耗这一问题，若能通过设计优化和改 善制造加工工艺提高其耐磨性， 将节省大量的经济成本[5,6]。 对截齿的应力和其失效情况 进行研究，是进一步提高截齿使用寿命减少其失效的基础。 虽然许多科研人员对采掘机械的易损零部件做了大量研究，对其结构及制造加工技 术进行了优化改善，许多关于其关键零部件技术获得了快速发展，已经接近甚至达到国 际先进技术标准[7,8]，但是仍然存在着许多不足，如截齿性能、耐磨性及可靠性较差，部 分关键零部件关键技术没有掌握，同时对相关的研究不够重视，进展较慢等。尤其是煤 矿采掘机械截割部的截齿，其寿命较短，不能达到使用者的满意值，与国外仍存在一定 差距。随着现代化改革的推进，设备复杂化、精密化、大型化程度日益提高，截齿的性 能已达不到客户的期望值。当前，在截齿研究方面，大部分国内外学者主要集中在其表 面加工工艺和制造材料等方面[9]，而对截齿工作中应力、温度分布及其它们的变化规律 的研究较少。工作中，截齿与其工作对象相互作用，会受到载荷作用。由于其在实际中 万方数据 太原理工大学硕士学位论文 2 是在工作与空程之间不断切换，所以其载荷是循环载荷。同时，其会与煤岩发生摩擦， 产生摩擦热。截齿工作时速度比较高，产生的热量来不及散失，使截齿温度升高，温度 对截齿的理化性质的影响很大， 截齿更容易失效[10]。 在截割阻力与温度载荷共同作用下， 截齿失效率较高， 因此为降低截齿的失效率， 提高采掘机械的工作效率， 提高经济效益， 进行截齿的热机械耦合动力学行为研究具有重要意义[11,12]。 本课题是以采掘机械截割仿真为基础，研究截齿截割中的动力学、传热学及热力学 规律。研究截齿结构与运动参数对截齿应力和温度分布及二者变化规律的影响，以此为 基础，进一步分析上述参数对截齿耐磨性及使用寿命的影响。为截齿的设计优化和提高 其耐磨性及使用寿命提供依据。 1.2 国内外研究动态 煤矿采掘机械经过悠久的发展历程，已成为煤矿开采发展的必需设备。多年来，很 多学者在截齿的性能及设计优化等方面，进行了许多研究工作，积累了大量成果和宝贵 经验，对后续研究具有重要的参考意义。 1.2.1 理论研究 煤岩是截齿直接接触并相互作用的对象，其具有明显层理性及节理性，是典型的各 向异性体，因此其被截齿截割破坏时二者发生相互作用的过程非常复杂。此外，截齿几 何结构及其物理性能和煤岩体本身特性对截割过程也具有重要影响，从而对截齿的受力 情况产生影响。 学者们在做了许多的研究与验证工作之后， 建立了截齿载荷的预测模型， 对截齿的破岩过程进行解释。具体