螺旋滚筒截割顶板工况的数值模拟

王 慧， 张长帅， 贾德禹2， 田 震， 周文潮

(1.辽宁工程技术大学 机械工程学院，辽宁 阜新 123000； 2.瑞木镍钴管理(中冶)有限公司，北京 100028)

薄煤层赋存条件复杂多变，煤层中多含夹矸、包裹体等煤岩混合界面，截割顶板是经常遇到的工况[1-3]，在此复杂工况下，螺旋滚筒与煤岩相互作用关系等都会直接或间接地影响采煤机的截割破碎过程及其动力传递规律[4]，使得采煤机的设计依据难以量化，研究顶板工况的截割过程为开发具有我国自主知识产权且性能优良的高效强力截割螺旋滚筒，量体裁衣地进行采煤机的创新设计提供了必要的理论基础，具有重要的学术意义和工程应用价值[5-6]。

南非学者Wyk[7]对不同形状截齿在恒速下截割煤壁的过程进行了数值模拟，对仿真结果、理论计算结果以及实验结果进行比较，找出了切削深度以及刀具的磨损对截齿受力的影响规律。于信伟[8]对复杂煤层条件下连续采煤机截割机构的受力状态以及复杂煤层分布特点进行分析研究，建立了螺旋滚筒的运动参数及结构参数的数学模型。何景强[9]采用LS-DYNA模拟滚筒截煤过程，获得不同截齿排列方式下螺旋滚筒受到的载荷。周方跃[10]利用LS-DYNA软件对新型阶梯滚筒进行仿真分析，并与传统采煤机滚筒进行对比，表明其截割性能优于传统采煤机。

以上学者都是对截割单一赋存条件下煤层和均匀性质煤体的过程进行数值模拟；利用理论公式计算螺旋滚筒外载荷，这样人为对各参数取值会带来误差。本文所述方法能将螺旋滚筒截割顶板过程可视化，并且直接得到截割对象由煤到岩变化时螺旋滚筒的应力云图，为获取截割过程螺旋滚筒的外载荷提供了新的途径。

以某新型采煤机螺旋滚筒为研究对象，利用LS-DYNA对螺旋滚筒截割顶板的过程进行数值模拟，得到了螺旋滚筒受到的非线性冲击载荷曲线，并对冲击载荷作用下截齿及滚筒的动应力分布进行了研究，分析了不同运动参数下煤岩所受应力的变化规律，研究结果为采煤机螺旋滚筒的设计及采煤机的定型生产提供了参考。

1 螺旋滚筒截割顶板的力学模型

采煤机截齿的主要工作对象为煤岩体，而在实际的截割工作中除截割纯煤体外，还有可能在截煤时遇到顶板的状况。其受力大小及状态将发生改变。图1为采煤机滚筒的受力简图，滚筒转速为ω，与煤岩接触的截齿将受到截割阻力Zj、牵引阻力Yj及侧向力Xj，当截割介质不同时其受力的计算公式也将不同。目前，根据前苏联学者的截割破碎理论来计算滚筒瞬时负载[11-12]，即式(1)～式(5)。

当截齿截煤时截割阻力和牵引阻力为

(1)

Yj=0.65Zj

(2)

当截齿截割岩石时截割阻力和牵引阻力为

(3)

Yj=2.5Zj(0.15+0.00056PK)/(10hmaxsinθ)0.4

(4)

图1 截齿的力学模型

截齿无论截割煤层还是岩石除了受到截割阻力和牵引阻力外，还将受到侧向阻力，其计算公式为

(5)

式中，Xj为侧向阻力(N)；C1、C2和C3的选取与截齿的排列方式有关，顺序式分别取1.4，0.3，0.15。

2 仿真模型的建立

以某型薄煤层采煤机滚筒为研究对象，部分设计参数为：滚筒直径为800 mm，截割深度为600 mm。以某矿16层煤为工程对象，建立被截割厚度为0.7 m岩石的煤岩耦合模型。为缩短仿真时间，在保证煤岩良好的破碎效果下，将螺旋滚筒的筒毂、螺旋叶片、齿座、端盘等建成一体，截齿由硬质合金头、齿体组成。在Pro/E中分别建立滚筒及煤岩体的三维实体模型，并将建好的模型进行虚拟装配，然后利用接口将模型导入ANSYS。煤岩耦合模型均采用八节点SOLID164单元，为了更符合实际煤层和仿真的需要，煤与夹矸接触表面需要分区域划分。由于螺旋滚筒结构复杂，采用四面体自由划分，控制好网格的疏密，截齿形状相对螺旋滚筒简单，为了更好地分析截齿载荷特性和可靠性，要尽量划分出高质量的网格，应人为进行线切割、连接等操作，采用映射和扫掠的方式对合金头和齿柄进行网格划分，划分好的有限元模型如图2所示。

综合煤岩的破碎特点及本构关系，煤壁模型定义成LS-DYNA中的*MAT-DRUCKE-PRAGER材料模型，材料失效用关键字*MAT_ADD_EROSION定义，煤岩参数准确与否直接影响着仿真结果的可靠性，需要对某矿区煤岩所取得煤矿试样进行标准化测试，从而得出其煤岩的物理力学性质和煤岩各项参数。煤岩体材料参数如表1所示，螺旋滚筒材料参数如表2所示。

图2 有限元模型

材料名称密度/kg·m-3弹性模量/MPa泊松比μ凝聚力/MPa内摩擦角/(°)抗压强度/MPa坚固系数煤1.32e341120.231.45585.231.9顶板2.40e376700.2011.53842.75.4

表2 螺旋滚筒材料参数

采用关键字*CNSTRND_TIEBREAK来定义煤壁与顶板岩石的固连失效。对于滚筒的材料类型的选择，为了研究复杂煤层赋存条件下滚筒截割性能及其动力传递规律，筒毂、叶片、端盘、齿座、截齿材料类型均为*MAT_ELASTIC弹性体模型；而方头只起到固定作用，并未参与破煤，因此可选为*MAT_RIGID刚性体材料。合金头与齿体、齿座与筒毂之间分别利用关键字*CNSTRND_SPOTWELD定义焊点连接。齿座与齿柄通过关键字*CONSTRAINED_EXTRA_NODES_SET连接。本次仿真螺旋滚筒需要施加进给运动和转动(X正向为进给方向，沿Z旋转，Y的负向为重力方向)。按照滚筒转速分别为80 r/min、牵引速度分别为3 m/min对滚筒的有限元模型加载。对接触和输出文件参数进行设置，仿真时间为2 s，保存成K文件，最后调入LS-DYNA/SOLVER进行求解。

3 数值模拟及结果分析

3.1 滚筒载荷的提取与分析

在输出的二进制文件中可查看螺旋滚筒的载荷谱，螺旋滚筒的载荷曲线如图3所示。由图3分析可得，从三向力的大小来看，截割阻力(Z向)最大，其次是牵引阻力(X向)，侧向力(Y方向)最小。滚筒Z向切削合力方向与滚筒转动方向相反，滚筒X向截齿合力与牵引方向相反，滚筒的Y向合力在零线上下波动，但其平均值不为零。

图3 滚筒三向力曲线

利用数值模拟技术，得到了不同牵引速度下螺旋滚筒受到的载荷，并基于破煤理论分别将相同工况下计算所得数据与本次仿真所得数据进行比较以验证本次模拟的正确性，如表3所示，X向载荷最大误差为8.31%，Y向载荷最大误差为7.57%，Z载荷最大误差为5.21%，所有误差均小于10%在误差允许范围内，故仿真结果可靠。

表3 三向力误差比较

3.2 截齿、齿座及叶片的应力分析

由仿真结果可得截齿的应力云图的剖面图，如图4所示，关注合金头齿尖的局部区域，齿体的前刃面、齿柄头部的轴肩处。整个截割煤岩过程中，截齿的等效应力集中在前刀面两侧、焊缝交界及齿柄头部的轴肩处，且随着截割工况改变，截齿受到的应力也随之有明显变化。图5为齿体中心线与齿座孔部的中心线相对位移变化，最大偏移量为0.026 mm，这说明齿柄产生弯曲变形量为0.026 mm，其变形量较小，截齿不会因弯曲刚度不够而折断。

截割煤岩时螺旋滚筒的应力云图如图6所示，应力主要集中在截齿齿座根部，并且端盘上齿座受到的应力明显大于叶片上齿座受到应力，截割岩石的截齿齿座大于其他工作截齿齿座的应力，并且处于工作中的截齿齿座根部的应力远大于其他部位的应力，这是截齿齿座结构所决定的，这说明齿座的薄弱位置在其根部，故齿座根部易造成损伤、破坏断裂等失效。齿座与叶片应力最大单元的时间历程曲线，如图7所示，250072单元是滚筒齿座根部最大应力单元，当1.12 s时达到最大应力，为371.79 MPa，小于焊缝强度。处于工作的叶片上每个位置受到的应力变化不大，这是由于被截齿截落掉的煤岩随着滚筒叶片的旋转而运动，从而起到装煤的作用。232371单元是滚筒叶片上的最大应力单元，当1.25 s时达到最大应力，为103.56 MPa，未超过材料的许用应力。

图4 截齿应力云图及内部剖面图

图5 齿体中心线与齿座孔部的中心线相对位移变化

图6 滚筒的应力云图

4 不同运动参数对煤岩的动力传递问题影响分析

滚筒转速和牵引速度的不同匹配，切屑厚度将发生变化，从而影响到煤岩所受应力区域的大小。选取牵引速度2～6 m/min、滚筒转速分别为60～100 r/min的工况，仿真得到的结果拟合成曲面，如图8所示。

图7 齿座与叶片应力最大单元的时间历程曲线

图8 岩石应力与运动参数的关系

在截割过程中，滚筒转速和牵引速度的不同，直接影响着截齿压碎煤岩石的加速度，进而影响煤岩受到的应力。随着牵引速度的增加，截割中岩石最大应力值均有不同程度的增加，当牵引速度由2 m/min增加到6 m/min时，螺旋滚筒转速为60 r/min、70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min的岩石应力最大值分别增加了6.597%、7.175%、9.280%、8.164%、7.678%，增加幅度先增大随后逐渐减小，应力平均增加了7.778%，这是由于当牵引速度增加时切削厚度也随之变大，切掉岩石的块度也会增大，这将导致煤岩所受应力增大；随着滚筒转速的增加，截割中的岩石最大应力值均有不同程度的减小，当滚筒转速由60 r/min增加到100 r/min时，牵引速度为2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min、6 m/min的合金头应力最大值分别减小了7.744%、7.546%、6.166%、4.315%、4.221%，减小幅度逐渐变小，应力平均减小了5.998%，这是由于当滚筒转速增加时，截齿截割煤岩石的加速度增加，积聚的弹性能量和脆性增加，但韧度降低，从而抵抗突变能力降低。可见，牵引速度的变化对截割中岩石应力的影响较滚筒转速的变化明显。

如图9所示，随着牵引速度的增加，截割中煤体最大应力值均有不同程度的增加，当牵引速度由2 m/min增加到6 m/min时，螺旋滚筒转速为60 r/min、70 r/min、80 r/min、90 r/min、100 r/min的煤体最大应力值分别增加了29.37%、34.44%、40.12%、32.54%、30.19%，增加幅度先增大随后逐渐减小，应力平均增加了33.332%，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，这将导致煤体所受应力增大；随着滚筒转速的增加，截割中煤体最大应力值均有不同程度的减小，当滚筒转速由60 r/min增加到100 r/min时，牵引速度为2 m/min、3 m/min、4 m/min、5 m/min、6 m/min的合金头应力最大值分别减小了17.07%、27.00%、26.31%、20.24%、16.55%，减小幅度先增大又逐渐减小，应力平均减小了16.088%，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，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，使煤体受到的应力减小。可见，牵引速度的变化对截割中煤体应力的影响较滚筒转速的变化明显。

图9 煤体应力与运动参数的关系

5 结论

① 利用ANSYS/LS-DYNA对采煤机截割顶板的过程进行数值模拟，得到了螺旋滚筒的工作载荷、螺旋滚筒的应力应变的时间历程曲线，为获取采煤机在复杂煤层工作的外载荷提供了新途径。

② 当滚筒转速相同时，牵引速度由2 m/min增加到6 m/min时，煤岩受到的应力增加幅度先增大随后逐渐减小，岩石与煤体受到的应力值分别平均增加了7.778%、33.332%；当牵引速度相同时，滚筒转速由60 r/min增加到100 r/min时，煤岩受到的应力减小幅度逐渐变小，岩石与煤体受到的应力值分别平均减小了5.998%、16.088%。通过比较发现运动参数的改变对煤体应力的影响明显大于岩石的应力。