采煤机滚筒截割动力学研究.pdf

总第2 0 8期 2020年第8期 机械管理开发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT Total 208 No.8,2020 设计理论与方法 D0110.16525/j l4-1134/th.2020.08.013 采煤机滚筒截割动力学研究 史小军 山西省阳泉市燕龛煤炭有限责任公 司 ，山 西 阳 泉045000 摘 要 采煤机滚筒截割性能对煤矿开采有着重要的影响， 为了对采煤机滚筒进行优化， 通过分析戴齿与煤壁 间的相互关系， 研究不同截割角度下截齿的截割状态， 同时给出了截割阻力随截割距离的变化规律及截割阻 力随截割线速度的变化规律， 为采煤机滚筒的优化提供一定的理论指导。 关键词 采煤 机 截 割 阻 力 截 割 线 速 度 中图分类号TD421.6 文献标识码A 文章编号 1003-773X 2020 08-0030-03 引言引言 采煤机作为我国煤矿生产的主要机械设备， 在 煤矿开采中有着重要的影响。目前我国使用最广的 采煤机为滚筒式采煤机,其主要部件有电动机、 截割 部 、 附属装置及牵引部。在采煤机工作过程中， 截割 部与截割煤壁进行接触，煤壁的变化直接反应到传 动装置及工作机构上，所以采煤机的截割性能对煤 矿的开采效率、采煤机滚筒的使用寿命及可靠性至 关重要，因此对采煤机的滚筒截割性能进行分析十 分必要。 此前我国众多学者对此进行过一定的研究， 徐盼盼[ 1 ] 等针对采煤机装煤差的问题， 对采煤机鼓 形进行优化设计，通过离散元对设计后的滚筒截割 性能进行对比，发现优化设计后的滚筒截割煤块更 大、 装煤率更大,有效地解决了采煤机装煤效果差的 问题。吕斌[ 2 ] 利 用matlab软件对不同工况下采煤机 滚筒截割性能进行分析，给出了不同工况下截割载 荷及截割力矩的变化趋势，为降低截割机构的冲击 载荷做出一定的贡献。肖守业[ 3 ] 为了解决截齿的受 力不均导致采煤机的截齿磨损，通过研究采煤机滚 筒截齿的截割性能，通过得到的数据对采煤机滚筒 进行合理化配置，有效地增大了采煤机滚筒的使用 寿命。温庆华[ 4 ] 通过分析截齿的受力， 利 用CATIA 进行三维模型建立， 并利用ANSYS进行模拟， 给出 了截齿受力的主要影响因素。并通过正交试验给出 了三种影响因素的最优组合法，对滚筒的设计起到 指导作用。 本论文利用PFC3D软件对不同截割参数 下煤壁变形、 及截割性能进行分析， 给出采煤机滚筒 截割的最优化设计。 1模型建立模型建立 采煤机滚筒截齿是影响采煤机截割性能的重要 收稿日期 2020_04-17 作者简介史小军（ 1971 ） ， 男， 本科， 毕业于东北大学， 现任山 西省阳泉市燕龛煤炭有限责任公司安全副总工程师，从事煤 矿安全管理工作。 因素， 截齿在接触煤壁后造成煤块的掉落， 本文通过 对采煤机截割参数如截割角、 截割厚度等进行改变， 研究不同参数下煤壁的破坏特征及截齿受力情况， 以此来达到对截割参数的优化目的。 在进行采煤机正常工作时，采煤机滚筒截齿以 恒定的截割线速度进行截割，但由于截割的距离较 短 ， 所以默认为截齿沿着切线的方向进行截割， 同时 在截割过程中， 截割的厚度液是恒定的， 以此达到简 化结果的目的。 首先进行模型的建立， 煤壁模型的长 宽高尺寸分别为150 mm、 200 mm和 120 mm，其中 截割煤壁尺寸分别为150 mm、 100 mm和 50 mm,煤 壁的参数设置分别为颗粒密度为1 675 kg/m3、 接触 刚 度 15 GPa、 抗拉强度为1.5 MPa、 孔隙率为0.2、 摩 擦角为3 5 和内聚力为4 MPa。完成模型参数设置 后 ， 对模型进行网格划分， 在进行网格划分时， 需要 充分考虑到计算精度及电脑性能。本文网格划分数 为 61 344,模型示意图如1 所示。 图 1采煤机截齿截割模型示意图 2模型计算模型计算 完成上述操作后， 对模型进行计算， 截齿在与煤 壁进行接触时， 会产生复杂的应力环境， 当截齿与煤 壁间的拉伸应力大于煤的抗拉强度后，煤壁发货时 能断裂， 煤块发生截落， 当煤壁与截齿间的剪切应力 大于煤的抗剪强度时， 煤壁产生剪切裂缝。 分别对截 齿截割过程中煤壁剪切机拉伸断裂进行分析，示意 图如下页图2 所示。 2020年第8期 史小军采煤机滚筒截割动力学研究 31 从图4-1可以看出， 随着截割距离的增大， 推进 阻力呈现出大幅度的波动，波峰位置是截齿与煤壁 进行接触， 截齿受到较大的阻力出现峰值， 截齿在完 成截割后推进阻力出现较小值，且在截割距离小于 2mm时 ，波峰位置的波动明显大于其余位置的峰 值。 这是由于截齿刚接触煤壁,造成截齿受到的阻力 瞬间增大， 出现最大值。根据图4-2可以看出， 随着 截割距离的增大， 截齿的侧向力呈现波动性变化， 且 随着距离的增大， 波动的幅度也在逐步增大， 在截割 距离为20 mm时， 截齿受到的侧向力最大， 为 3 565 N。 观察图4-3可以看出，当截齿距离在515 mm内 时， 截割阻力的峰值较大， 最大值为4 214 N。 图 4 中 虚线分别为推进阻力、 侧向力及截割阻力的平均值， 分别为 790 N、 -37 N 及 1 195 N。 对切削厚度5 mm时 ，不同截割角度下截割阻 力均值随切割速度变化趋势进行分析，不同截割角 下截割阻力随截割线速度变化趋势如下页图5 所示。 当切削厚度为10 mm,截割线速度3 m/S,截割 角度为4 0 时 ， 此时的截齿的三向受力随截割距离 的变化趋势如图4 所示。 2 - 1 运 行 5 000次 2 - 2 运 行 13 000次 图 2截割过程示意图 如图2 所示为截齿截割煤壁示意图，当模型运 行至5 000次时,此时截齿与煤壁刚发生接触， 与截 齿接触的煤壁受到拉升作用， 发生拉伸破坏,随着截 齿的移动， 煤壁的破坏面积逐步增大， 截割深度逐步 加深， 当运行次数达到13 000次时， 煤壁发生明显 的破坏， 受到截齿厚度的影响， 裂缝的扩展逐步趋于 稳定，模型运行5 000次和运行13 000次后煤壁断 裂个数分别为2 338和 39 432。 对不同采煤机截齿截割角度进行计算， 模型的 截割角是指截齿轴线与Z F所在的平面夹角，本文 选定截割角为4 5 、 5 0 和 55 , 截割距离为20 mm。计算结果如图3 所示。 3 - 1 截割角45 3 - 2 截 割 角 50 3 - 3 截割角55 图 3不同截割角度下煤壁破坏示意图 从不同截割角度下煤壁的变形情况可以看出， 当截割角度为4 5 时，此时煤壁内部裂缝是由采煤 机滚筒截在;i 方向上运动及滚筒截齿在轴向运动共 同作用产生，此时煤壁内部的破坏颗粒数为135 355 个， 破裂的扩展相对较为均匀， 在采煤机滚筒截齿移 动及轴线方向上的破坏并不明显。当截割角度为 5 0 时， 此时煤壁破坏情况较截割角度4 5 有所增 大，截齿在沿着移动方向的扩展是三种截割角度下 最远的， 此时煤壁的破坏颗粒数为146 342个 ， 同时 截割角度为5 0 时截齿会在轴线的方向发生一定 的扩展。当截割角度为5 5 时， 此时的破坏区在沿 滚筒截齿轴线方向上的延伸最为明显， 在沿着截齿运 动方向的扩展长度较截割角度5 0 时有所下降， 但 较截割角度4 5 有着明显的改善，此时煤壁的截落 颗粒数为167 726个 ， 为三种截割角度下的最大值。 截割距离/mm 4 - 1 截割距离与推进阻力关系曲线 4 _ 2 截割距离与侧向力关系曲线 4 - 3 截割距离与截割阻力关系曲线 图 4截齿载荷随截割距离变化曲线 N/只基苐鏟 32 机械管理开发 jxglkfbjb 第3 5卷 图 5不同截割角下截割阻力随截割线速度变化趋势图 从 图 5 可以看出， 随着截割线速度的不断增大， 截割阻力呈现出先减小后增大的趋势，当截割线速 度 为 4 m/s时 ， 截割阻力出现最小值， 这是由于截割 线速度较小时， 截齿嵌入煤壁较难， 所以承受较大的 阻力， 随着截割线速度的增大,截齿嵌人煤壁难度逐 步降低， 截割阻力降低,但当截割线速度进一步增大 时， 由于截齿在一定的时间内截割的煤体增多， 所以 截割阻力呈现增大的趋势。同时根据不同截割角度 的变化趋势可以看出， 截割角度为4 0 时截割阻力 明显髙于其他三种截割角度，这是由于截割角度较 小时， 随着截齿的深人， 截齿与媒体发生挤压， 造成 截割阻力增大。 3结论 1 不同截割角度下截齿在沿着移动方向的扩展 长度从小至大分别为5 0 、 55及 4 5 ，截齿沿滚 筒截齿轴线方向上的延伸长度从小至大分别为 5 5 、 50 和 4 5 。 2 根据截割载荷随截割距离的变化曲线可以看 出，推进阻力、侧向力及截割阻力的平均值分别为 790N、 -37N cutting resistance; cutting line speed 上接第12页） Prediction of Damage and Residual Strength of Tanker Based on Probability Wan Letian 710 Institute of China Shipbuilding Heavy Industry Group Co., Ltd., Yichang Hubei 443003 Abstract When grounding or collision, because the degree and position of breakage are accidental, it is more objective to use the of probability to uate the strength. Therefore, the damage strength of a certain type of tanker is analyzed and predicted based on the coordinated common specification. The results show that the nonlinear finite element results are very different from the calculation results of this type of prediction ula, and the prediction in this paper is fast and accurate. Key words common specification; probability; residual strength forecast