悬臂式掘进机截割煤岩的切削角和切削厚度

悬臂式掘进机截割煤岩的切削角和切削厚度

拆除边缘是开臂钻和破碎煤岩的重要部件，也是整个机组中最易损坏的部件。除缩短齿的使用寿命外，齿的使用寿命还与切割头的安装参数和缩短齿的厚度有关。切割阻力和比能是评估岩石破碎过程质量的重要参数。切割阻力影响着切割齿的生命，能有效地反映了建筑机切割效率的降低。当切割角和切割角是切割煤岩时，切割角和切割角是切割角的基本参数，是决定切割角和能量消耗的重要因素。因此，为了确定切割角和切割角的强度和切割厚度对阻断和破碎煤岩的影响，有必要研究切割角和切割角对截面阻力和比能的影响，这在进给机的设计中是必要的。悬臂式掘进机采用的是镐形截齿,镐形截齿在截割头上的安装角度(如图1所示)有切削角α(又叫截割角)和倾斜角β.切削角是截齿轴线与齿间运动轨迹的切线之间的夹角;倾斜角是2个平面之间的夹角,分别是与截割头轴线垂直的平面以及齿尖轨迹切线与截齿轴线构成的平面.切削角对截齿截割煤岩时的截割阻力有重要的影响.当切削角很小或者为0°时(图2(a)),齿尖较易切入煤岩,煤岩受到较大的拉伸应力和剪切应力,但压应力很小,不能形成密实核.此时,切削力、截割比能耗和粉尘量小,破碎煤岩效果较好.但由于实际工况的限制,这时齿体与煤会产生严重的摩擦,反而使切削力、比能耗和粉尘量很大,截齿寿命大幅度降低.因而,为了使得截齿具有较好的切削性能,常使切削角α>λ(λ为截齿半锥角)(图2(b)).此时截齿切削刃对煤岩的力指向煤岩的自由面,煤岩受压形成发育不充分的密实核,且煤岩的破碎是由挤压、剪切和拉伸联合作用完成的,因而切削力、比能耗和粉尘量都不大.当切削角α≥90°-λ(图2(c)),截齿刃对煤岩的作用力指向煤岩内部,煤岩因受到强烈挤压而形成充分发育的密实核.此时,煤岩主要靠压缩破碎,煤岩是抗拉不抗压的材质,切削力、比能耗和粉尘量都很大,应避免这种情况的发生.切削厚度影响截割所产生煤岩的块度:切削厚度小,产生的粉尘多,煤岩块度小;切削厚度大,产生的粉尘少,煤岩块度大.切削力随着切削厚度的增大而增大,合理的切削厚度要根据粉尘量、所需煤岩块度、截齿寿命以及截割比能耗来确定.目前国内外对于截齿最佳切削角、合理切削厚度的确定方法的相关研究文献较少,其数据大部分是通过试验的方法来确定.因此,对截齿切割煤岩的切削角、切削厚度还需作进一步探讨.截齿截割煤岩是非线性接触动力学问题,LS_DYNA是解非线性接触动力学问题的有限元软件,并已在其他领域,如汽车碰撞、铣削加工等,获得较好的运用.应用成熟的商用软件研究不同切削角截割煤岩仍有许多工作要做,如分析模型的建立、边界条件的施加和分析结果的提取等,这些工作的正确执行都需要有有限元理论的支持,而不止是软件的简单应用.本文将应用非线性动力学软件LS_DYNA对截齿截割煤岩进行数值分析研究,研究不同切削角下的截割阻力与截割比能耗,从而确定截齿安装最佳切削角,并研究不同切削厚度下的截割比能耗,为掘进机的理论设计提供一种方法.1计算流度和比能耗的齿段1.1煤岩截齿前机械力学性能截割煤岩的悬臂式掘进机属于旋转式截割机械,旋转式截割机械的截割机构主要受来自悬臂的轴向推力和扭矩作用,根据力学平衡原理,截割头上的单个截齿受到煤岩体阻力主要为轴向阻力Fp和截割阻力Fc.当有旋转角存在时,截齿还受一侧向力,但它远小于轴向阻力和截割阻力,可以忽略不计.当只给截割头施加1个扭矩时截齿主要受截割阻力的作用.截割阻力为切削力的反作用力,它是煤体对截齿前刃面的压力和摩擦力综合作用的结果,是确定截割头截割转矩和截割功率的依据,其大小可根据下式计算:Fc=A0.35b+0.3(2.3+b+0.45h)Κψ⋅htkzkϕkykckoΤ/cosβ‚(1)式中:A——煤岩的平均截割阻抗,N/mm,A=145(σy25+√σy2.5),其中σy为煤的单向抗压强度,MPa.b——截齿工作部分宽度,mm.镐齿可取直径的一半,b=1/2d,d为镐齿的直径.h——平均切削厚度,mm.Kψ——考虑煤脆塑性系数,脆性取1,黏性取0.85.t——平均截线间距,mm.最佳平均截线间距t=b+(1～1.4)h.kz——外露自由表面的影响系数.当截齿工作宽度b=10～15mm,截线距由20mm增加到35mm时,kz由0.68减小到0.52;当b=20～30mm,kz由0.74减小到0.58.kϕ——截齿前刃面形状影响系数.前刃面为平面,kϕ取1;为椭圆形,取0.9～0.95;为楔形取0.85～0.9.ky——考虑截齿截角δ对截割比能耗的影响系数,按表1选取.kc——切削图影响系数,一般取1.koT——矿压影响系数,一般取0.7.β——截齿的倾斜角,(°).1.2截割比的确定截割比能耗是截割头截割单位体积煤岩所消耗的能量,其大小反映了掘进机截割效率的高低,是衡量掘进机性能的指标之一,也是截割头设计时需考虑的一个重要问题.对于掘进机来说,截割比能耗Hw(MJ/m3)应按实际截割阻力除以截割体积来确定,即Ηw=Fcth,(2)式中:Fc——截割阻力,N;t——平均截线间距,mm;h——平均切削厚度,mm.2截齿最佳切削角确定研究截齿截割煤岩的最佳切削角,在建模过程中建立不同的切削角模型,采用同样的材料、截齿以及切削厚度;研究截齿不同切削厚度下的单位能耗,取3种不同的切削角进行对比分析,每个切削角取不同的切削厚度.截齿截割煤岩的有限元分析主要包括几何模型的构建、合理的网格划分、合理的边界载荷施加,以及定义单元和材料模型、定义接触等.为简化分析模型,分析时取截割头上的一个截齿截割煤岩进行分析,镐齿的直径为30mm,旋转速度取为60r/min,倾斜角为10°,截齿锥角为70°.分析截齿截割煤岩的最佳切削角时,选择33°,38°,43°,45°,48°,53°,58°,68°八组切削角在切削厚度为3mm时的仿真数据进行分析对比;分析不同切削厚度下的单位能耗时,取45°,48°,53°三组切削角的截齿在2,2.5,3,3.5mm四种切削厚度进行仿真模拟.仿真过程主要分析截齿的受力,不分析截齿的变形,截齿与截割头采用刚性材料,弹性模量为270GPa,泊松比为0.3,密度为7800kg/m3,采用Solid164实体单元,单元积分形式为单点高斯积分.煤岩,采用弹塑性损伤模型*BRITTLE_DAMAGE,密度为1500kg/m3,弹性模量为1400MPa,抗拉强度为3MPa,抗压强度为30MPa,泊松比0.3,采用Solid164实体单元,单元积分形式为单点高斯积分.定义截齿与煤岩的接触类型为面面侵蚀接触(ESTS),截齿与截割头之间建立刚性体约束连接,并通过关键字*PART_INERTIA来定义截割头的惯性特性,约束刚体质点除绕对称轴旋转以外的其他5个自由度(x,y,z方向的平动以及绕x轴、y轴的转动).对煤岩体不与截齿接触的其他四面施加无反射边界条件来模拟无限大的煤岩,避免边界处波的反射对求解域的影响.数值模型采用cm-g-us单位制.分析时间在切削角小于43°时取0.1s,其他的取75ms,可完成截齿截割煤岩的整个过程.分割好的有限元网格的模型之一如图3所示.3有限域计算与分析3.1煤岩的截割阻力用于仿真分析的煤岩的密度为1500kg/m3,弹性模量为1400MPa,抗拉强度为3MPa,抗压强度为30MPa,泊松比为0.3.煤岩的平均截割阻抗A=145(σy25+√σy2.5)=676.28Ν/mm,属于脆性硬煤岩,截线间距取t=b+1.2h=15+1.2×3=18.6mm,因此截割阻力Fc=A0.35b+0.3(2.3+b+0.45h)Κψ⋅htkzkϕkykckoΤ/cosβ=676.28×0.35×15+0.3(2.3+15+0.45×3)×1⋅3×18.6×0.52×0.9×0.93×1×0.7×1cos10°=3474.2Ν.3.2切削角随公式的仿真结果图4至图11分别为8组不同切削角对应的截齿截割煤岩截割阻力图.表2为不同切削角对应的截齿最大截割阻力、平均截割阻力、截齿与煤岩的接触时间表.图12为切削角与截割阻力的关系图.由图4、图5的截割阻力曲线可知:当切削角小于43°时,截齿所受切削力较大而且与煤岩接触时间较长,跟公式计算结果相比最大误差为94.59%,这时齿体与煤岩会产生严重的摩擦;当切削角在43°～53°时,仿真所得的切削阻力跟公式所得的比较接近,最大误差为36.154%;而当切削角在45°～48°时所得的切削力跟公式所求几乎一致,也是切削力最小的状态,此时截齿切削刃对煤岩的力指向煤岩的自由面,煤岩受压形成发育不充分的密实核,且煤岩的破碎是由挤压、剪切和拉伸联合作用完成的,因而切削力不大;当切削角在58°～63°时,截齿所受切削力变大,截齿刃对煤岩的作用力指向煤岩内部,煤岩因受到强烈挤压而形成充分发育的密实核,此时,煤岩主要靠压缩破碎.因此,在实际工况中应避免切削角小于43°以及大于58°这2种极限情况,当切削角在45°～48°范围时是最佳理想状态,与公式所得切削力几乎一致,并且这时截齿所受切削力小,齿体与煤岩接触时间短.3.3切削厚度对截割比的影响掘进机截割煤岩的经济切削厚度也是掘进机设计的一个重要内容,不同功率的掘进机截割煤岩的最大厚度也不一样,寻求截割比能耗最小的合理的切削厚度是掘进机设计的一个重要内容.以45°,48°,53°三组切削角下的截齿在2,2.5,3,3.5mm四种切削厚度下截割煤岩,研究切削厚度与截割比能耗、截割阻力之间的关系,图13至图15分别为3种切削角对应不同切削厚度下的截割阻力对比图.表3、图16为不同切削角下不同切削厚度的截割阻力.表4,图17为由公式(2)计算得出的3组切削角下不同切削厚度的截割比能耗.由图13至图15可以看出切削时间、最大切削厚度随着切削厚度的增加而增加,图16表明截割阻力随着切削厚度的增加而呈线性增加状,图17表明截割比能耗随着切削厚度的增加而呈双曲线减小趋势.4切削角的影响1)建立了合理的截齿截割煤岩分析有限元模型,为高速非线性截齿截割煤岩的CAE分析提供了一种理论正确、适用性好的有限元建模方法.2)得到在不同切削角下的截齿截割煤岩截割阻力曲线变化规律图以及其接触时间,并与国内外常用的截齿阻力计算公式相比较,发现在切削角为45°～48°时仿真结果与公式计算所得结果几乎一致,而在该范围外则差异很大,说明该公式具有一定的适用范围.3