懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割煤巖的切削角和切削厚度

懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割煤巖的切削角和切削厚度

拆除邊緣是開臂鉆和破碎煤巖的重要部件，也是整個(gè)機(jī)組中最易損壞的部件。除縮短齒的使用壽命外，齒的使用壽命還與切割頭的安裝參數(shù)和縮短齒的厚度有關(guān)。切割阻力和比能是評(píng)估巖石破碎過(guò)程質(zhì)量的重要參數(shù)。切割阻力影響著切割齒的生命，能有效地反映了建筑機(jī)切割效率的降低。當(dāng)切割角和切割角是切割煤巖時(shí)，切割角和切割角是切割角的基本參數(shù)，是決定切割角和能量消耗的重要因素。因此，為了確定切割角和切割角的強(qiáng)度和切割厚度對(duì)阻斷和破碎煤巖的影響，有必要研究切割角和切割角對(duì)截面阻力和比能的影響，這在進(jìn)給機(jī)的設(shè)計(jì)中是必要的。懸臂式掘進(jìn)機(jī)采用的是鎬形截齒,鎬形截齒在截割頭上的安裝角度(如圖1所示)有切削角α(又叫截割角)和傾斜角β.切削角是截齒軸線與齒間運(yùn)動(dòng)軌跡的切線之間的夾角;傾斜角是2個(gè)平面之間的夾角,分別是與截割頭軸線垂直的平面以及齒尖軌跡切線與截齒軸線構(gòu)成的平面.切削角對(duì)截齒截割煤巖時(shí)的截割阻力有重要的影響.當(dāng)切削角很小或者為0°時(shí)(圖2(a)),齒尖較易切入煤巖,煤巖受到較大的拉伸應(yīng)力和剪切應(yīng)力,但壓應(yīng)力很小,不能形成密實(shí)核.此時(shí),切削力、截割比能耗和粉塵量小,破碎煤巖效果較好.但由于實(shí)際工況的限制,這時(shí)齒體與煤會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦,反而使切削力、比能耗和粉塵量很大,截齒壽命大幅度降低.因而,為了使得截齒具有較好的切削性能,常使切削角α>λ(λ為截齒半錐角)(圖2(b)).此時(shí)截齒切削刃對(duì)煤巖的力指向煤巖的自由面,煤巖受壓形成發(fā)育不充分的密實(shí)核,且煤巖的破碎是由擠壓、剪切和拉伸聯(lián)合作用完成的,因而切削力、比能耗和粉塵量都不大.當(dāng)切削角α≥90°-λ(圖2(c)),截齒刃對(duì)煤巖的作用力指向煤巖內(nèi)部,煤巖因受到強(qiáng)烈擠壓而形成充分發(fā)育的密實(shí)核.此時(shí),煤巖主要靠壓縮破碎,煤巖是抗拉不抗壓的材質(zhì),切削力、比能耗和粉塵量都很大,應(yīng)避免這種情況的發(fā)生.切削厚度影響截割所產(chǎn)生煤巖的塊度:切削厚度小,產(chǎn)生的粉塵多,煤巖塊度小;切削厚度大,產(chǎn)生的粉塵少,煤巖塊度大.切削力隨著切削厚度的增大而增大,合理的切削厚度要根據(jù)粉塵量、所需煤巖塊度、截齒壽命以及截割比能耗來(lái)確定.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于截齒最佳切削角、合理切削厚度的確定方法的相關(guān)研究文獻(xiàn)較少,其數(shù)據(jù)大部分是通過(guò)試驗(yàn)的方法來(lái)確定.因此,對(duì)截齒切割煤巖的切削角、切削厚度還需作進(jìn)一步探討.截齒截割煤巖是非線性接觸動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,LS_DYNA是解非線性接觸動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的有限元軟件,并已在其他領(lǐng)域,如汽車碰撞、銑削加工等,獲得較好的運(yùn)用.應(yīng)用成熟的商用軟件研究不同切削角截割煤巖仍有許多工作要做,如分析模型的建立、邊界條件的施加和分析結(jié)果的提取等,這些工作的正確執(zhí)行都需要有有限元理論的支持,而不止是軟件的簡(jiǎn)單應(yīng)用.本文將應(yīng)用非線性動(dòng)力學(xué)軟件LS_DYNA對(duì)截齒截割煤巖進(jìn)行數(shù)值分析研究,研究不同切削角下的截割阻力與截割比能耗,從而確定截齒安裝最佳切削角,并研究不同切削厚度下的截割比能耗,為掘進(jìn)機(jī)的理論設(shè)計(jì)提供一種方法.1計(jì)算流度和比能耗的齒段1.1煤巖截齒前機(jī)械力學(xué)性能截割煤巖的懸臂式掘進(jìn)機(jī)屬于旋轉(zhuǎn)式截割機(jī)械,旋轉(zhuǎn)式截割機(jī)械的截割機(jī)構(gòu)主要受來(lái)自懸臂的軸向推力和扭矩作用,根據(jù)力學(xué)平衡原理,截割頭上的單個(gè)截齒受到煤巖體阻力主要為軸向阻力Fp和截割阻力Fc.當(dāng)有旋轉(zhuǎn)角存在時(shí),截齒還受一側(cè)向力,但它遠(yuǎn)小于軸向阻力和截割阻力,可以忽略不計(jì).當(dāng)只給截割頭施加1個(gè)扭矩時(shí)截齒主要受截割阻力的作用.截割阻力為切削力的反作用力,它是煤體對(duì)截齒前刃面的壓力和摩擦力綜合作用的結(jié)果,是確定截割頭截割轉(zhuǎn)矩和截割功率的依據(jù),其大小可根據(jù)下式計(jì)算:Fc=A0.35b+0.3(2.3+b+0.45h)Κψ?htkzk?kykckoΤ/cosβ?(1)式中:A——煤巖的平均截割阻抗,N/mm,A=145(σy25+√σy2.5),其中σy為煤的單向抗壓強(qiáng)度,MPa.b——截齒工作部分寬度,mm.鎬齒可取直徑的一半,b=1/2d,d為鎬齒的直徑.h——平均切削厚度,mm.Kψ——考慮煤脆塑性系數(shù),脆性取1,黏性取0.85.t——平均截線間距,mm.最佳平均截線間距t=b+(1～1.4)h.kz——外露自由表面的影響系數(shù).當(dāng)截齒工作寬度b=10～15mm,截線距由20mm增加到35mm時(shí),kz由0.68減小到0.52;當(dāng)b=20～30mm,kz由0.74減小到0.58.k?——截齒前刃面形狀影響系數(shù).前刃面為平面,k?取1;為橢圓形,取0.9～0.95;為楔形取0.85～0.9.ky——考慮截齒截角δ對(duì)截割比能耗的影響系數(shù),按表1選取.kc——切削圖影響系數(shù),一般取1.koT——礦壓影響系數(shù),一般取0.7.β——截齒的傾斜角,(°).1.2截割比的確定截割比能耗是截割頭截割單位體積煤巖所消耗的能量,其大小反映了掘進(jìn)機(jī)截割效率的高低,是衡量掘進(jìn)機(jī)性能的指標(biāo)之一,也是截割頭設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的一個(gè)重要問(wèn)題.對(duì)于掘進(jìn)機(jī)來(lái)說(shuō),截割比能耗Hw(MJ/m3)應(yīng)按實(shí)際截割阻力除以截割體積來(lái)確定,即Ηw=Fcth,(2)式中:Fc——截割阻力,N;t——平均截線間距,mm;h——平均切削厚度,mm.2截齒最佳切削角確定研究截齒截割煤巖的最佳切削角,在建模過(guò)程中建立不同的切削角模型,采用同樣的材料、截齒以及切削厚度;研究截齒不同切削厚度下的單位能耗,取3種不同的切削角進(jìn)行對(duì)比分析,每個(gè)切削角取不同的切削厚度.截齒截割煤巖的有限元分析主要包括幾何模型的構(gòu)建、合理的網(wǎng)格劃分、合理的邊界載荷施加,以及定義單元和材料模型、定義接觸等.為簡(jiǎn)化分析模型,分析時(shí)取截割頭上的一個(gè)截齒截割煤巖進(jìn)行分析,鎬齒的直徑為30mm,旋轉(zhuǎn)速度取為60r/min,傾斜角為10°,截齒錐角為70°.分析截齒截割煤巖的最佳切削角時(shí),選擇33°,38°,43°,45°,48°,53°,58°,68°八組切削角在切削厚度為3mm時(shí)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比;分析不同切削厚度下的單位能耗時(shí),取45°,48°,53°三組切削角的截齒在2,2.5,3,3.5mm四種切削厚度進(jìn)行仿真模擬.仿真過(guò)程主要分析截齒的受力,不分析截齒的變形,截齒與截割頭采用剛性材料,彈性模量為270GPa,泊松比為0.3,密度為7800kg/m3,采用Solid164實(shí)體單元,單元積分形式為單點(diǎn)高斯積分.煤巖,采用彈塑性損傷模型*BRITTLE_DAMAGE,密度為1500kg/m3,彈性模量為1400MPa,抗拉強(qiáng)度為3MPa,抗壓強(qiáng)度為30MPa,泊松比0.3,采用Solid164實(shí)體單元,單元積分形式為單點(diǎn)高斯積分.定義截齒與煤巖的接觸類型為面面侵蝕接觸(ESTS),截齒與截割頭之間建立剛性體約束連接,并通過(guò)關(guān)鍵字*PART_INERTIA來(lái)定義截割頭的慣性特性,約束剛體質(zhì)點(diǎn)除繞對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)以外的其他5個(gè)自由度(x,y,z方向的平動(dòng)以及繞x軸、y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)).對(duì)煤巖體不與截齒接觸的其他四面施加無(wú)反射邊界條件來(lái)模擬無(wú)限大的煤巖,避免邊界處波的反射對(duì)求解域的影響.數(shù)值模型采用cm-g-us單位制.分析時(shí)間在切削角小于43°時(shí)取0.1s,其他的取75ms,可完成截齒截割煤巖的整個(gè)過(guò)程.分割好的有限元網(wǎng)格的模型之一如圖3所示.3有限域計(jì)算與分析3.1煤巖的截割阻力用于仿真分析的煤巖的密度為1500kg/m3,彈性模量為1400MPa,抗拉強(qiáng)度為3MPa,抗壓強(qiáng)度為30MPa,泊松比為0.3.煤巖的平均截割阻抗A=145(σy25+√σy2.5)=676.28Ν/mm,屬于脆性硬煤巖,截線間距取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?htkzk?kykckoΤ/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切削角隨公式的仿真結(jié)果圖4至圖11分別為8組不同切削角對(duì)應(yīng)的截齒截割煤巖截割阻力圖.表2為不同切削角對(duì)應(yīng)的截齒最大截割阻力、平均截割阻力、截齒與煤巖的接觸時(shí)間表.圖12為切削角與截割阻力的關(guān)系圖.由圖4、圖5的截割阻力曲線可知:當(dāng)切削角小于43°時(shí),截齒所受切削力較大而且與煤巖接觸時(shí)間較長(zhǎng),跟公式計(jì)算結(jié)果相比最大誤差為94.59%,這時(shí)齒體與煤巖會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的摩擦;當(dāng)切削角在43°～53°時(shí),仿真所得的切削阻力跟公式所得的比較接近,最大誤差為36.154%;而當(dāng)切削角在45°～48°時(shí)所得的切削力跟公式所求幾乎一致,也是切削力最小的狀態(tài),此時(shí)截齒切削刃對(duì)煤巖的力指向煤巖的自由面,煤巖受壓形成發(fā)育不充分的密實(shí)核,且煤巖的破碎是由擠壓、剪切和拉伸聯(lián)合作用完成的,因而切削力不大;當(dāng)切削角在58°～63°時(shí),截齒所受切削力變大,截齒刃對(duì)煤巖的作用力指向煤巖內(nèi)部,煤巖因受到強(qiáng)烈擠壓而形成充分發(fā)育的密實(shí)核,此時(shí),煤巖主要靠壓縮破碎.因此,在實(shí)際工況中應(yīng)避免切削角小于43°以及大于58°這2種極限情況,當(dāng)切削角在45°～48°范圍時(shí)是最佳理想狀態(tài),與公式所得切削力幾乎一致,并且這時(shí)截齒所受切削力小,齒體與煤巖接觸時(shí)間短.3.3切削厚度對(duì)截割比的影響掘進(jìn)機(jī)截割煤巖的經(jīng)濟(jì)切削厚度也是掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容,不同功率的掘進(jìn)機(jī)截割煤巖的最大厚度也不一樣,尋求截割比能耗最小的合理的切削厚度是掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要內(nèi)容.以45°,48°,53°三組切削角下的截齒在2,2.5,3,3.5mm四種切削厚度下截割煤巖,研究切削厚度與截割比能耗、截割阻力之間的關(guān)系,圖13至圖15分別為3種切削角對(duì)應(yīng)不同切削厚度下的截割阻力對(duì)比圖.表3、圖16為不同切削角下不同切削厚度的截割阻力.表4,圖17為由公式(2)計(jì)算得出的3組切削角下不同切削厚度的截割比能耗.由圖13至圖15可以看出切削時(shí)間、最大切削厚度隨著切削厚度的增加而增加,圖16表明截割阻力隨著切削厚度的增加而呈線性增加狀,圖17表明截割比能耗隨著切削厚度的增加而呈雙曲線減小趨勢(shì).4切削角的影響1)建立了合理的截齒截割煤巖分析有限元模型,為高速非線性截齒截割煤巖的CAE分析提供了一種理論正確、適用性好的有限元建模方法.2)得到在不同切削角下的截齒截割煤巖截割阻力曲線變化規(guī)律圖以及其接觸時(shí)間,并與國(guó)內(nèi)外常用的截齒阻力計(jì)算公式相比較,發(fā)現(xiàn)在切削角為45°～48°時(shí)仿真結(jié)果與公式計(jì)算所得結(jié)果幾乎一致,而在該范圍外則差異很大,說(shuō)明該公式具有一定的適用范圍.3