运动学参数对滚筒截割夹矸煤岩应力影响规律.pdf

第4 3 卷第1 0 期 2 叭8 年1 0 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 3 0 c t ． N o ．1 0 2 0 1 8 隧 移动阅读 ’一 题 刘旭南，赵丽娟，周文潮，等．运动学参数对滚筒截割夹矸煤岩应力影响规律[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 8 ，4 3 1 0 2 9 2 6 2 9 3 3 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c nk i ．j c c s ．2 0 1 8 ．0 0 9 7 L I UX u n a n ，Z H A 0 圳u a n ，Z H O UW e n c h a o ，e ta 1 ．I n n u e n c el a wo fk i n e m a t i cp a m m e t e r so nt h es t r e s so fd m mc u t t i n g c o a lg a n g u e [ J ] ．J o u m a lo fc h i n ac o a ls o c i e t y ，2 0 1 8 ，4 3 1 0 2 9 2 6 2 9 3 3 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ．2 0 1 8 ．0 0 9 7 动学参数对滚筒截割夹矸煤岩应力影响规律 刘旭南1 ，赵丽娟1 ，周文潮2 ，罗贵恒1 ，杜章雨1 1 ．辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 ；2 ．中铁电气工业有限公司保定铁道变压器分公司，河北保定1 2 3 0 0 0 摘要由于夹矸煤岩赋存条件的复杂性及滚筒截割煤岩过程载荷的非线性，得到滚筒截割煤岩的 应力信息非常困难，因此很难从可靠性方面对运动学参数进行匹配。以煤岩截割机理和有限元理 论为基础，利用L S D Y N A 建立螺旋滚筒截割夹矸煤岩的耦合模型，分别对不同工况进行截割过程 的动态模拟，以获取煤岩体、滚筒截齿相关组件的最大应力信息。采用曲面拟合技术分析滚筒转速 及牵引速度对煤岩体、滚筒截齿相关组件最大应力的影响规律，建立了相关零件应力关于滚筒转速 及牵引速度的规律方程。以采煤机生产率、截割比能耗为目标建立了采煤机滚筒运动学参数的优 化方程，并得到了滚筒转速与牵引速度的最佳匹配值，研究表明当滚筒转速为6 1 ．6 3r ／m i n ，牵引 速度为4 ．7 7 6 Ⅱ∥m i n 时，采煤机生产率可达1 9 0 ．6 4 ∥h ，截割比能耗仅为0 ．8 6 89k W h ／m 3 。截齿 合金头、齿体、齿座、叶片的应力分别为13 3 9 ．4 ，8 8 7 ．5 ，4 5 4 ．7 ，1 0 5 ．2M P a ，岩石和煤体最大应力分 别为5 9 ．1 5 ，8 ．7 9 9M P a 。 关键词夹矸煤岩；优化；运动学参数；匹配 中图分类号T D 4 2 1 ．6 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 1 8 1 0 一2 9 2 6 0 8 I n n u e n c el a w0 fl 【i n e m a t i cp a r 锄e t e r so nt h es t r e s so fd n | mc u t t i n gc o a lg 锄g l l e L I UX u n a n l ，Z H A 0L i j u a n l ，Z H O UW e n c h a 0 2 ，L U OG u i h e n 9 1 ，D UZ h a n g y u l 1 ．c o f 拓舻o ，胁c 地n 泐f E ，柳n 卵 噌，￡玩o n i 愕丁k n 池f 跏托哪渺，f 饥讥1 2 3 0 0 0 ，酰i M ；2 ．肋。以增舶i 胁o y ‰，妒厂m e r 日m n 如 、0 m p n Ⅳ，劬i 船R o 以 “ o y 明∞￡血“胁d W 打yc 0 ．，儿d ．，B n o d 垤0 7 1 0 5 1 ，饥i № A b s t r a c t B e c a u s eo ft h ec o m p l e x i t yo ft h eo c c u I T e n c ec o n d i t i o n so fc o a lg a n g u ea n dt h en o n l i n e a r i t yo ft h el o a dd u r i n g c o a la n dr o c kc u t t i n gb yd 1 1 l m ，i ti sv e r yd i m c u l tt oo b t a i nt h es t r e s si n f o 珊a t i o n ．T h e r e f o r e ，i ti sh a r dt om a t c ht h ek i - n e m a t i c sp a r a m e t e r sf 而mt h ea s p e c to fr e l i a b i l i t y ．A c c o r d i n gt ot h ec o a lc u t t i n gm e c h a n i s ma n df i n i t ee l e m e n tt h e o r y ， t h ec o u p l i n gm o d e lo fc u t t i n gc o a lg a n g u eb ys p i r a ld r u mw a se s t a b l i s h e db yu s i n gL S - D Y N A ．T oo b t a i nt h em a x i m u m s t r e s si n f o 咖a t i o no fc o a lg a n g u ea n dd m m p i c k s r e l a t e dc o m p o n e n t s ，t h ed y n a m i cs i m u l a t i o no fc u t t i n gp m c e s su n d e r d i f 玷r e n tw o r l i n gc o n d i t i o n sw a sc a 埘e do u tr e s p e c t i V e l y ．B yu s i n gs u r f a c ef i t t i n gt e c h n i q u e ，t h ei n f l u e n c el a wo fd 1 1 l m r o t a t i n gs p e e da n dh a u l i n gs p e e do n 山em a x i m u ms t r e s so fc o a l - r o c ka n dd m m p i c k s r e l a t e dc o m p o n e n tw a sa n a l y z e d ， a n dt h el a we q u a t i o n sw e r ee s t a b l i s h e d ．T a k i n gt h es h e a r e rp r o d u c t i v i t ya n dc u t t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o na st h eo b j e c t ， t h eo p t i m i z a t i o ne q u a t i o no fk i n e m a t i cp a r a m e t e r so fs h e a r e rd 1 1 l mw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h eb e s tm a t c h i n gv a l u eo f d r u ms p e e da n dh a u l i n gs p e e dw a so b t a i n e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw h e nt h ed I u mr o t a t i n gs p e e di s6 1 ．6 3r ／m i na n d t h eh a u l i n gs p e e di s4 ．7 7 6m ／m i n ，t h es h e a r e rp m d u c t i v i t yc a nr e a c h19 0 ．6 4 ∥h ，a n dt h ec u t t i n ge n e r g yc o n s u m p t i o ni so n l yO ．8 6 89k W h ／m 3 ．T h es t r e s so fa 1 1 0 yh e a d ，p i c kb o d ya n dh o l d e ra r e1 3 3 9 ．4M P a ，8 8 7 ．5M P a ，4 5 4 ．7 收稿日期2 0 1 8 0 卜1 8 修回日期2 0 1 8 0 4 一0 4 责任编辑韩晋平 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 6 7 4 1 3 4 ；辽宁省自然科学基金资助项目 2 0 1 7 0 5 4 0 4 2 0 作者简介刘旭南 1 9 8 5 一 ，男，辽宁开原人，讲师，博士。E m a i l y u w u k n a n 1 6 3 ．c o m 万方数据 第1 0 期刘旭南等运动学参数对滚筒截割夹矸煤岩应力影响规律 2 9 2 7 M P aa n d1 0 5 ．2M P a ，r e s p e c t i v e l y ，a n dt h em a x i m u ms t r e s so fr o c ka n dc o a la r e5 9 ．1 5M P aa n d8 ．7 9 9M P a ，r e s p e c t i v e l y ． K e yw o r d s c o a lg a n g u e ；o p t i m i z a t i o n ；k i n e m a t i cp a r a m e t e r ；m a t c h i n g 螺旋滚筒是采煤机的工作机构，其承担着破煤、 装煤及除尘等任务，采煤机装机功率的9 0 ％以上消 耗在其截割煤岩过程中。1o 。在滚筒已经设计成型 后，如何调整其运动参数将对煤岩体、截齿合金头、齿 体、滚筒应力产生影响进而影响采煤机相关零部件的 寿命进而影响生产效率等性能指标。由于滚筒截割 煤岩过程较为复杂，其载荷难以测定，进行地面试验 测量往往是破坏性的，无法反复进行而且代价昂贵。 而计算机模拟技术的不断兴起为采煤机滚筒截割煤 岩过程的模拟提供了便利的条件，国内外学者进行了 大量研究B OY u 悼。利用L S D Y N A 进行截煤的动态 仿真，得出使煤岩体破碎的主要形式是剪切破坏的结 论；B R I J E SM i s h r a _ 3o 采用有限元法和建立的自动旋 转割煤模拟平台进行了模拟，证实了改变截齿齿尖的 大小和形状可以影响截割系统的截割性能。姬国 强Mo 采用D Y N A 对不同截割速度、截割厚度、截割锥 角以及安装角度下的三向力进行了对比分析。熊晓 燕等∞o 运用L s D Y N A 模拟采煤机截齿截割煤岩的 过程并分析了块煤率在不同截齿安装角下的影响。 何景强等∞o 采用L s D Y N A 模拟了采煤机滚筒截煤 过程，找到了较适合薄煤层采煤机滚筒的截齿排列方 式。董瑞春。7o 则采用该方法对截割过程中截齿和煤 岩体的应力进行了分析；M I K L 等。8o 学者采用 A B A Q u S 对截齿的切削过程进行了模拟，并获得载荷 及应力状态在不同几何形状截齿下的变化；邬黔 凤‘9 1 利用L S D Y N A 分析滚筒截割煤岩过程，得到了 各截齿和滚筒在截割煤壁过程中的受力情况；宋振铎 等0 。利用L s D Y N A 对采煤机直线截割与斜切进刀 进行仿真分析，得到了斜切进刀时截割阻力较小的结 论。 以上学者都采用数值模拟的办法对截齿及滚筒 展开了较全面的研究，并得到了较为可靠的实验数 据，充分证明了利用数值模拟方式研究采煤机截割煤 岩问题的可行性。相关研究成果都为滚筒以不同运 动学参数截割煤岩混合界面，研究夹矸煤岩以及滚筒 组件应力相关信息奠定了基础。 1 截割煤岩实体模型的建立 以M G 2 7 0 ／3 2 5 一B w D 型薄煤层采煤机滚筒为 原型，滚筒直径为8 0 0m m ，截割深度为6 0 0m m 。该 滚筒截齿排列为顺序式，其中截齿部分安装参数见表 1 ，截齿排列图及其编号如图1 所示。 表1 截齿安装部分参数 T a b I e1P a r t i a l i n s t a n a t i o np a r a m e t e r so fp i c l ‘s l mJ W h l T Ⅵ1 、 爿11 ．”喜Idi l ，I 一爿“II ⋯刊II 啦／I1I L ，1 7／I n lh ， ／1．，I j 凼／t 少孑／ ，．I- 墨／土孑 ．．J 套t 七／矿幸／ t 再t 斗多／l 一 孙∥斗多／l，。 二乞乡／，一 ≮tt 多／俐I { 歹 ／1．，钵一t 斗孑／杪二七孑 ，，套7 t 砖／二套一一二专／ 二联7 二f ／Il ；1 1 ■乞屯二／I A C 图1 截齿排歹0 及其编号 F i g ．1 P i c k sa Ⅱa n g e m e n ta n di t sn u m b e r i n g 利用P r o ／E N G I N E E R 建立滚筒筒毂、端盘、叶 片、齿座、合金头和齿柄的实体模型并采用族表建立 采煤机滚筒模型、最终建好的采煤机螺旋滚筒模型如 图2 所示。 合金头 叶片 筒毂 齿柄 端盘 齿座 图2 滚筒三维实体模型 F i g ．2 T h r e ed i m e n s i o n a ls o I i do fd n J m 为便于研究螺旋滚筒的截煤效果和减少求解时 问，煤壁模型假设已经截割出与滚筒外包络面形同的 自由面，以兖州煤业集团杨村矿1 7 层煤为工程对象， 在P r 0 ／E 中建立顶部含有被截割厚度为7 0m m 夹矸 万方数据 煤炭 学报2 叭8 年第4 3 卷 的煤岩模型，并将建立好的螺旋滚筒与煤岩模型装 配，装配好的螺旋滚筒截割煤岩模型如图3 所示。 夹矸 滚筒 煤体 图3 截割夹矸煤岩三维模型 F i g ．3 T h r e ed i m e n s i o n a lm o d e lo fc u t t i n gc o a lg a n g u e 2 L S D Y N A 仿真模型的建立 2 ．1 模型的导入 利用P R 0 ／E 与A N S Y S 的专用接口将图3 所示 三维实体模型导入到A N S Y s 中，并将螺旋滚筒的筒 毂、螺旋叶片、齿座、端盘等组合成一体，镐型截齿由 硬质合金头、齿体组成。滚筒截割煤岩耦合三维模型 如图4 所示。 文件后导入到L S P R E P O s T 4 ．0 对模型进行前处理。 表2 螺旋滚筒材料参数 T a b l e2M a t e r i a lp a r a m e t e r so fs p i r I a ld r u m 根据 参数见表2 。对于煤岩体则需要对相应矿区煤岩进 行取样并进行标准化测试以得出其煤岩的物理力学 性质，相应的试样如图5 所示，利用岩石切割机将煤 块切割成规定形状，通过万能试验机 图6 a 开展 相关试样硬度塑性系数试验、单轴抗压强度试验和三 轴试验，将w D w 一1 0 0 E 型微机控制电子试验机 图 6 b 连接到计算机上，测试切割试样的物理力学参 数，得到试样的系数，得到的煤岩各项参数见表3 。 2 ．3 单元类型的定义及网格划分 螺旋滚筒和煤岩均采用8 节点s 0 L I D l 6 4 单元， 并采用面网格扫略划分网格。为了加快计算速度，选 用线性单元的单点积分，并为控制负体积产生，将沙 漏系数取为默认值0 ．1 。对螺旋滚筒的筒毂、螺旋叶 片、齿座、端盘组件采用四面体网格智能划分；而对于 齿体和合金头采用扫略的方式进行网格划分写出k 图6 相关试验仪器 F i g ．6 R e l a t e dt e s ti n s t n J m e n t s 表3 煤岩体材料参数 T a b l e3C o a lm c km a t e r i a lp a r a m e t e r s 2 ．4 接触的定义 为确保煤岩材料内部单元被破坏后，剩下单元依 万方数据 第1 0 期刘旭南等运动学参数对滚筒截割夹矸煤岩应力影响规律 2 9 2 9 然能与滚筒接触，滚筒与煤岩问的接触采用面一面侵 蚀的接触类型，煤岩定义为从片，截齿定义为主片。 2 ．5 煤岩边界及各模型之间约束的添加 通过关键字{ B O u N D A R Y S P c s E T 定义煤岩 体模型边界的节点使其全部的6 个自由度不发生位 移；通过关键字} B O U N D A R Y N O N RE F L E C T I N G 对煤岩施加无反射边界条件来消除反射波和剪切波 对即将破碎的煤岩单元的影响；通过定义E x T R A N O D E s 来实现齿柄与齿座之间的连接。利用关键字 } C N S T R N D s P O T wE L D 定义合金头与齿体之间焊 点连接。 2 ．6 设定煤岩破坏参数 综合煤岩的破碎特点及本构关系，煤壁模型定义 成丰M A T D R u C K E P R A G E R 材料模型，材料失效 用关键字牢M A T A D D E R O S l 0 N 定义，根据测试得 到的煤岩材料参数，设定煤的失效应力为5 ．2 3M P a ， 设定岩石的失效应力为5 2M P a ，即当接触力超过失 效应力时，受力单元就会自动删除，使得截齿继续截 割煤岩；采用关键字水C N S T R N D T I E B R E A K 来定义 煤与夹矸的固连失效。 2 ．7 滚筒驱动以及求解器的设置 通过关键字术D E F I N E C u R V E 来定义滚筒的转 速和牵引速度，设置终止时间l c 0 N T R O L T E R M I N A T l 0 N 为2s ，设置沙漏能为总能量的1 0 ％⋯。12 | ， 设置好相关参数后保存k 文件，最后调入L s D Y N A ／s 0 L V E R 进行求解构建出滚筒截割煤岩石的仿 真模型如图7 所示。 一 图7 滚筒截割煤岩的L s D Y N A 模型 F i g ．7C o u p l i n gm o d e lo fc o a la n dr o c kc u tb yd m m 3 仿真结果及分析 为分析采煤机牵引速度口。及滚筒转速n 。I 对煤 岩体以及滚筒自身应力的影响规律，分别调整滚筒转 速为6 0 ，7 0 ，8 0 ，9 0 及1 0 0r ／m i n 和牵引速度为2 ，3 ， 4 ，5 及6m ／m i n ，对滚筒转速及牵引速度进行正交试 验 2 5 组仿真 ，以获得夹矸岩石、煤体、截齿合金头、 齿体、滚筒齿座处及叶片处的应力信息，从而推导出 运动学参数对其影响规律。 3 ．1 不同运动参数对夹矸煤应力的影响规律 将求解结束后生成的d 3 p l o t 文件在后处理软 件L s P R E P 0 s T 打开可查看其模拟结果，滚筒在截 割煤岩过程中伴随煤岩塑性域的发展变化，煤岩的各 向异性和截齿的截割位置通过颜色分布反映，仿真结 束后被截割煤岩耦合模型如图8 所示。 图8 被截割煤岩耦合模型 F i g ．8C o u p l e dm o d e lo fc o a la n dr o c ka f t e rc u t t i n g 调整不同的运动参数进行数值模拟研究，将截割 过程中夹矸岩石的应力最大值进行统计，见表4 ，其 曲面拟合如图9 a 所示，相应的拟合规律方程见 式 1 。 表4 岩石应力统计 T a b l e4S t r e s ss t a t i s t i c so fm c kM P a 由图9 可知，随牵引速度的增加，截割过程中岩 石最大应力值均有不同程度的增加，岩石应力最大值 增加幅度先增大随后逐渐减小，这是由于当牵引速度 增加时切削厚度也随之变大，切掉岩石的块度会增 大，导致煤岩所受应力增大；随滚筒转速的增加，截割 中的岩石最大应力值均有不同程度的减小，这是由于 当滚筒转速增加时，截齿的截割线速度增大，截齿截 割厚度减小导致煤岩和截齿应力的减小3 I 。 仉 [ n 4 n 3 n 2 几1 ] A ，噬口z J ；勘q 1 ] 1 1 式中，盯，为夹矸岩应力，M P a ；％为采煤机牵引速 度，n ／m i n ；n 为滚筒转速，r ／s ，凡 n r ／6 0 ；A ，为夹矸岩 应力系数矩阵，即 0 0 ．4 4 45 0 ．3 5 52 ．9 6 2 O ．1 3 481 ．7 5 88 ．1 1 5 5 8 0 3 1 0 ．2 4 ．6 3 16 0 4 ．3 2 ．2 1 95 1 6 ．2 1 7 ．6 79 0 ．6 3 万方数据 2 9 3 0 煤炭 学报 2 0 1 8 年第4 3 卷 蛊 善 蚓 ．K 略 R 毯 j m 至9 画8 摇 R6 翼乏 a 岩石 6 0 、 ≯ 图9 岩石和煤样应力与运动参数的关系 F i g ．9R e l a t i o n s h i pb e t w e e nr o c ks t r e s s ，c o a ls t r e s sa n d k i n e m a t i cp a r a m e t e r s 采用同样的方法对截割煤体进行分析，表5 为煤 体应力统计值、图9 b 为曲面拟合图，随牵引速度的 增加，截割中煤体最大应力值均有不同程度的增加， 煤体最大应力值增加幅度先增大随后逐渐减小，这是 由于当牵引速度增加时切削厚度也随之变大，块煤率 会增大，导致煤体所受应力增大；随滚筒转速的增加， 截割中煤体最大应力值均有不同程度的减小，且减小 幅度先增大又逐渐减小，滚筒转速与截齿冲击煤岩的 瞬时速度成正比，冲击速度会影响煤岩内部裂纹的扩 展，从而致使煤岩被截碎，当滚筒转速增加时，截齿截 割煤体的加速度增加，积聚的弹性能量和脆性增加， 但韧度降低，导致抵抗突变能力降低从而煤体受到的 应力减小。 表5 煤体应力统计 T a b l e5S t r e s ss t a t i s t i c so fc o a l M P a 眼 [ 凡4 n3凡2n 1 ] A 。嗽∥；剧；”。1 ] ’ 2 式中，以为煤体应力，M P a ；A 。为煤体应力系数矩阵， 即 02 9 ．9 5 1 ．9 6 4一1 6 0 ．3 O ．3 1 51 1 ．0 23 2 3 ．9 0 ．1 1 680 ．8 7 751 0 ．9 12 8 4 ．6 0 ．0 4 7 3 50 ．6 4 543 ．0 2 3一1 0 ．5 91 0 3 ．9 3 ．2 不同运动参数对截齿应力的影响规律 由仿真结果可得截齿的应力云图，其剖面图如图 1 0 所示。整个截割煤岩过程中，截齿的等效应力较 大位置出现在前刀面两侧、焊缝交界及齿柄头部的轴 肩处，且随截割工况的改变，截齿受到的应力也随之 有明显变化。调整滚筒转速以及牵引速度以获得合 金头以及齿体的应力变化规律。合金头以及齿体应 力统计见表6 。由表6 可知，工况为牵引速 度6r n ／m i n ，螺旋滚筒转速6 0r ／m i n 时合金头和齿体 的应力值均达到最大，最大值分别为14 8 9 ．6 1M P a 和9 5 1 ．0 4M P a ，通过与表2 对比可知合金头和齿体 均小于相应的屈服应力，但大于其许用应力无法正常 工作。 图1 0 截齿应力云图及内部剖面 F j 昏1 0 S t r e s sc o n t o u r sa n di n t e m a lp m 矗l e0 fp i c k 随牵引速度的增加，参与截割截齿的合金头和齿 体应力均有不同程度的增加，且它们最大值增加幅度 逐渐减小；随滚筒转速的增加，参与截割截齿的合金 头应力均有不同程度的减小，减小幅度逐渐变大，其 拟合曲面图如图1l a 所示，其拟合规律方程为 巩 [ n 4 n 3 n 2 凡1 ] A h 噬口口口q 1 ] 1 3 式中，巩为截齿合金头应力，M P a ；A 。为截齿合金头 应力系数矩阵，即 由图9 b 可见，牵引速度的变化对截割中煤体 A n 2 应力的影响较滚筒转速的变化明显，其拟合规律方程 为 0 1 5 3 ．7 1 8 ．9 15 1 8 ．1 4 ．3 2 31 ．6 6 4 7 7 5 ．4 0 ．5 2 413 ．3 5 72 4 ．9 73 8 0 ．6 叠至＼R 目 5 3 4 4 4 4 4 8 5 8 O屹加％拍舛跎m“∞疆 8 6 5 5 4 3 3 2 ●9 2 ●■- 一■■_ 3 ■Z 巧9 墙M 踞殂加四 3 ． 3 8 4 万方数据 第1 0 期刘旭南等运动学参数对滚筒截割夹矸煤岩应力影响规律 2 9 3 1 日 凸_ 蔓 蚓 K 嘣 R 泳 划 Ⅱ 蛊 萋 趔 K 略 R 毯 世 蝈 a 合金头 b 齿体 图l l 合金头应力和齿体应力最大值与运动参数关系 F i g ．11 M a x i m u ms t r e s so fa l l o yh e a da n dp i c kb o d yw i t h k i n e m a t i cp a r a m e t e r s 由图1 1 a 可见，牵引速度的变化对截齿合金头 应力的影响较滚筒转速的变化明显；而齿体随滚筒转 速的增加，参与截割截齿的应力均有不同程度的减 小，当滚筒转速由6 0r ／m i n 增加到1 0 0r ／m i n 时，牵 引速度为2 ，3 ，4 ，5 ，6r n ／m i n 的齿体应力最大值分别 减小了1 5 ．8 5 ％，1 8 ．7 1 ％，1 8 ．3 8 ％，1 6 ．8 3 ％， 1 7 ．7 7 ％，应力平均减小了1 7 ．5 0 8 ％，其拟合曲面图 如图1 1 b 所示，其拟合规律方程如式 3 所示。 由图1 l b 可见，牵引速度的变化对截齿齿体应 力的影响较滚筒转速的变化明显。 仃b [ 凡3 n 2n 1 ] A h 峨∥口q1 】1 4 式中，盯。为截齿齿体应力，M P a ；A 。为齿体应力系数 矩阵，即 A b 一1 3 2 ．8 6 ．5 9 14 5 3 ．9 4 ．0 7 66 6 ．0 15 8 9 ．6 2 6 ．0 9 1 7 ．0 2 9 9 1 ．5 3 ．3 不同运动参数对其他零件应力影响规律 滚筒的应力分布云图如图1 2 所示，齿座与叶片 上的应力主要集中在参与截割的截齿齿座根部以及 螺旋叶片上，这与实际工作中受力情况一致，这说明 仿真结果可靠。采用同样的方法调整滚筒的运动参 数对筒毂和叶片进行分析，见表7 。 ◆ I ；I■ 图1 2 滚筒的应力石图 F i g ．1 2 S t r e s sc o n t o u r so ft h ed m m 通过与表2 对比可知，叶片均能满足强度要求， 而齿座在滚筒转速较低、牵引速度较快的工况下超出 许用应力将无法可靠工作，齿座的应力变化规律与截 齿的应力变化规律相似，这是由于运动参数的不同匹 配改变了单位时间内参与截割截齿的切削厚度，从而 改变了截齿受到的载荷，进而改变了齿座的受力。而 叶片的应力变化规律与齿座的应力变化不同，叶片的 应力随运动参数的增大而变大，相应的拟合曲面图如 图1 3 所示，其拟合规律方程见式 5 ， 6 。 吒 【n 3n 2 几1 ] A 喊口；口。1 ] 1 5 式中，吒为截齿齿体应力，M P a ；A 为齿体应力系数 矩阵，即 22 8 0 ．2一 邡加脚册∞舯加加加舛加 8 4 3 3 3 2 2 2 2 i“字知郇如巧加”m”∞ 万方数据 2 9 3 2 煤炭学报 2 0 1 8 年第4 3 卷 襄◆≯ b1 口f 片 图1 3齿座应力、叶片应力最大值与运动参数关系 F i g ．1 3 M a x i m u ms t r e s so fh 0 1 d e ra n dV a n e sw i t hk i n e m a t i c p a r a m e t e r s 妒L 兰_ 荔8 1 ] T 6 式中，叽为截齿齿体应力，M P a ；A 。为齿体应力系数 矩阵，即 A 、 0 1 ．1 0 2 0 ．5 1 93 ．3 7 5 O ．0 6 10 ．3 1 10 ．7 8 73 1 5 9 ．6 1 0 ．1 28 2 1 ．7 4 9 ．1 815 5 0 5 3 ．1 2l3 1 6 1 2 ．3 73 5 8 ．2 4 螺旋滚筒运动学参数的匹配 采煤机生产率‘1 4 1 及截割比能耗‘b 1 为 Q 6 0 B D 口。p 7 式中，Q 为采煤机生产率，∥h ；B 为截割深度，m ；D 为滚筒直径，m ；p 为煤的真密度，∥c m 3 。 ”而捻 8 式中，日。为采煤机滚筒截割比能耗，k W h ／m 3 ；M 。 为总阻力矩，N m ，其计算公式如式 9 所示；日为 滚筒采高，m ；B 为滚筒截割深度，m 。 1 M 1 M 。 D ∑弓 R 。D ，t a np 9 式中，M ，为总阻力矩，N m ；D 为滚筒直径，m ；Z ，为 截割阻力，N ；M 为截齿总个数；尺。为装煤反力，N ； D ，为叶片直径，m ；届为螺旋升角， 。 。 以采煤机生产率更高，截割比能耗日。最小最为 目标函数进行优化，则目标函数为m i n [ 1 一Q ／Q ⋯， 日。。] ，根据某矿采煤机生产需要设置两者权重分别为 0 ．6 ，0 ．4 ，则目标函数为 m i n F z m i n [ O ．6 1 一Q ／Q 。。 0 ．4 日。] 由表2 对式 3 ～ 6 进行约束得到 盯h ≤13 4 0 ，盯b ≤6 4 5 ．5 ， 矿≤4 6 3 ．7 ，盯l ≤4 6 3 ．7 对截割电机功率进行限制，得到 黧 7 P 95 5 0 。 式中，7 为机械系统的传递效率；P 为截割电机的功 率，k w ； 采用M a t l a b ，在滚筒运动参数的定义域nE [ 6 0 ， 1 0 0 ] ，秽。∈[ 2 ，6 ] 上对其进行优化得到砚。I 6 1 ．6 3r ／m i n ，秽。 4 ．7 7 6n ∥m i n 时，目标函数可达最 ●跖9 明 ．7 6 2 ‰ 瓶“ 砸弛 ％ 2 3 2 q 万方数据 第1 0 期刘旭南等运动学参数对滚筒截割夹矸煤岩应力影响规律 2 9 3 3 优值。此时采煤机生产率及截割比能耗分别 1 9 0 ．6 4L ／h ，0 ．8 6 89k w h ／m 3 ，截齿合金头、齿体、 齿座、叶片的应力分别为13 3 9 ．4 ，8 8 7 ．5 ，4 5 4 ．7 及 1 0 5 ．2M P a ，岩石和煤体最大应力分别为5 9 ．1 5 和 8 ．7 9 9M P a 。 5 结论 1 当截齿截割夹矸煤岩时，其应力随牵引速度 的增加以及滚筒转速的降低而增加，这一变化规律符 合煤岩石破碎理论。 2 截齿最大应力主要集中在合金头的齿尖局 部接触区域及齿柄头部的轴肩处，齿座上最大应力主 要集中在齿座根部；相同牵引速度下，截齿、滚筒所受 载荷与应力随滚筒转速的增大而减小，若滚筒转速不 变，则载荷与应力随牵引速度的增大而增大，但牵引 速度对其影响较转速明显，而叶片应力随运动参数的 增大而变大。 3 通过曲面拟合技术获得了夹矸岩体、煤体、 截齿合金头、齿体、齿座、叶片应力关于滚筒转速及牵 引速度的规律方程，并通过优化得到滚筒转速为 6 1 ．6 3r ／m i n ，牵引速度为4 ．7 7 6H L ／m i n 时，采煤机生 产率可达1 9 0 ．6 4∥h ，截割比能耗仅 为0 ．8 6 89k w ．h ／m 3 。截齿合金头、齿体、齿座、叶 片的应力分别为13 3 9 ．4 ，8 8 7 ．5 ，4 5 4 ．7 及 1 0 5 ．2M P a ，岩石和煤体最大应力分别为5 9 ．1 5 和 8 ．7 9 9M P a ． 参考文献 R e f e r e n c e s [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 蔡中义，王保祥，汪顺，等．新型大直径采煤机螺旋滚筒的设计 与制造[ J ] ．煤矿机械，2 0 1 2 ，3 3 4 1 2 一1 5 ． C A IZ h o “g y i ，W A N CB a o x j a n g ，W A N GS h u n ，e ta 1 ．D e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fn o v e ls c r e wd 兀J mw i t h 】a r g ed i a m e t e rf o rs h e a r e r [ J ] ． C o a lM i n eM a c h i n e r y ，2 0 1 2 ，3 3 4 1 2 1 5 ． B 0Y u ．N u m 谢c a ls i m u l a t i o no fc o n t i 叫0 u sI l l i n e rr o c kc u t t i n gp m c e s s [ D ] ．u s A w e s tv i 哂n i au n i v e r s i t y ，2 0 0 5 ． B R U E SM i s h m ．A n a l y s i so fc u t t i n gp a r a m e t e r sa n dh e a tg e n e r a t i o n o nb i t s 0 fac o n t i n u o u sm i n e r l u s i n gn u m e r i c a la n de x p e r i m e n t a l 印一 p m a c h [ D ] ．u s A w e s tV i 唱i n i au n i v e r s i t y ，2 0 0 7 ． 于信伟．复杂煤层模拟及连续采煤机截割机构参数优化[ D ] ．阜 新辽宁工程技术大学，2 0 0 6 ． Y UX i n w e i ．C o m p u I e rS i m u l a t j o no fc o m p l e xc o a lf o r m a t i o na n d 叩