楊尚武 任艷東

（1.三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027；2.沈陽匯眾汽車底盤系統(tǒng)有限公司，遼寧 沈陽 110041）

0 引言

懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為煤礦井下最重要的掘進(jìn)設(shè)備，主要用于巷道掘進(jìn)，對煤礦開采的推進(jìn)工作產(chǎn)生直接影響作用。懸臂式掘進(jìn)機(jī)本身以懸臂回轉(zhuǎn)、俯仰的方式完成煤巖切割，并且實(shí)際工作中對機(jī)身、巷道底板依賴性非常大，這期間的摩擦力與截割位置阻力變化是保證懸臂式掘進(jìn)機(jī)平衡的關(guān)鍵。所以研究截割速度變化過程的分析對掘進(jìn)機(jī)截割效率及穩(wěn)定性有巨大價(jià)值。

掘進(jìn)機(jī)的截割頭上裝有螺旋排列的截齒，通常采用三條式螺旋線結(jié)構(gòu)的截割頭，在截割臂內(nèi)的傳動軸的驅(qū)動下，截割頭的截齒相對截割臂軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。截齒與煤巖壁觸碰，對煤巖壁施加相應(yīng)的擠壓，將破碎物料從煤巖壁上剝離掉。在此工作進(jìn)行中會產(chǎn)生截割阻力，作用在截齒上，在日積月累的截割摩擦力的作用下，消耗截齒，導(dǎo)致截齒斷裂、消耗不均、截齒座受損等問題。截割頭在截割過程中因各截齒受力不均勻產(chǎn)生振動現(xiàn)象，影響了煤炭生產(chǎn)企業(yè)的開采掘進(jìn)效率，而且還會造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。該文對掘進(jìn)機(jī)截割速度變化、截割頭受力情況進(jìn)行對比及研討，綜合分析出最適合的速度，為截割工作的經(jīng)濟(jì)性與高效性提供了一定的參考依據(jù)。

1 模擬截割思路分析

標(biāo)準(zhǔn)掘進(jìn)設(shè)備中，截割頭的材料為鑄鋼與尺座材料為35CrMo，碳當(dāng)量=0.49%，齒座材料為35CrMo，碳當(dāng)量=0.65%。以上兩種金屬的含碳量比較高，硬度也是相對較高，截割頭上裝有螺旋排列的截齒，截齒由貫穿齒座、卡簧等組裝在截割頭上，通常采用三條式螺旋線結(jié)構(gòu)的截割頭，也有小型設(shè)備為兩條式螺旋線結(jié)構(gòu)的截割頭。該文討論的是三條式螺旋線結(jié)構(gòu)的截割頭。

LS_DYNA模擬軟件是全球最知名的通用顯式動力分析程序，可以模擬任何復(fù)雜的結(jié)構(gòu)計(jì)算問題，特別適合求解碰撞、爆炸、侵徹等非線性動力問題。該文討論的設(shè)備平行截割物料的分析屬于這類動力學(xué)研討的特點(diǎn)，所以使用這個(gè)應(yīng)用程序模擬試驗(yàn)比較合適。

采用LS_DYNA程序模擬截齒截割煤巖的動力學(xué)過程：1） 由于煤巖材料不屬于物質(zhì)完全彈性體，它既不是完全彈性體，也不具有脆性體常規(guī)特征，但又無法塑性變形，正確概況總結(jié)煤巖被掘進(jìn)時(shí)的物理特質(zhì)、變化形式和損壞模式，合理選擇模擬材料模型，才可以將該文討論的平行截割煤巖的模擬的動力學(xué)分析精準(zhǔn)。2） 利用ANSYS/LS_DYNA軟件模擬截齒在旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給復(fù)合工況下截割煤巖的動力學(xué)過程，獲得截割過程中受到的截割阻力及煤巖的應(yīng)力云圖。3） 選取相同的截齒截割角，對截割頭截割侵入速度做出改變，對此過程進(jìn)行模擬，獲得不同設(shè)計(jì)下截齒在截割煤巖過程中受到的動態(tài)載荷的變化曲線。對比分析獲得的結(jié)果，提供指導(dǎo)信息。

2 截割工作分析

2.1 幾何模型及有限元模型的建立

在CREO中創(chuàng)造出掘進(jìn)機(jī)截割頭及煤巖的三維模型，煤巖設(shè)置可以在數(shù)值模擬程序ANSYS/LS-DYNA中對有限表面添加無反射邊界條件來模擬無限大的地下空間，所以建立一個(gè)立方體即可體現(xiàn)模擬，尺寸邊長均1200mm即可，加載進(jìn)ANSYS程序內(nèi)。掘進(jìn)機(jī)截割過程主要分兩個(gè)工作種類，平行截割工作和鉆進(jìn)截割工作。破壞煤巖、截割物料的絕大多數(shù)時(shí)候采用的都是第一種平行截割，所以該文分析平行截割工作不同速度的影響。

平行截割截割頭劃分100180單元及煤巖劃分116160的模型如圖1所示。

圖1 平行截割有限元模型

2.2 定義接觸類型

該文研究的是掘進(jìn)機(jī)截割頭平行截割煤巖破壞的過程，煤巖物料會因截齒的擠壓侵入而被破壞，在軟件中表現(xiàn)為煤巖單元的失效，需要選取面面接觸算法分析，在內(nèi)部確定為侵蝕接觸分析法。（CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE），即表面單元接觸1面～2面時(shí)會觸發(fā)材料失效，單元中依舊計(jì)算剩余單元的接觸，比較適合掘進(jìn)機(jī)截割頭平行截割物料時(shí)的模擬分析。在分析前，導(dǎo)入模型后的準(zhǔn)備工作包括分別定義相同單元的類型，將截割部定義為剛體可提高計(jì)算速度，截割頭定義為CONTACT PART，煤巖定義為TARGET PART。

2.3 載荷及材料

該文主要研究的是掘進(jìn)機(jī)截割頭平行截割運(yùn)動，需要限制截割頭其余四個(gè)自由度上的運(yùn)動，同時(shí)也限制煤巖的移動或旋轉(zhuǎn)。市場占有率比較高的EBZ200/260機(jī)型，截割頭轉(zhuǎn)速均為44r/min，因此定義旋轉(zhuǎn)速度為此轉(zhuǎn)速。平行掘進(jìn)速度為0.6m/min、1.2m/min及1.8m/min。

在軟件材料庫中選出適合的材料模型，近似泥土材料、具有塑性結(jié)構(gòu)的模型即可，在可選范圍之間選取硬度有巖石特性的即可計(jì)算。文中將相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置為煤體的材料參數(shù)，模型材料構(gòu)建與之接近即可，然后進(jìn)行對應(yīng)修改。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，截割頭及截齒的變形比較小，并且該文在模擬中主要研究整體截割頭的受外力情況，所以無須計(jì)量內(nèi)部應(yīng)力。分析需要的材料參數(shù)見表1。

表1 煤巖和截齒的材料參數(shù)

2.4 煤巖破壞參數(shù)的設(shè)定

ANSYS/LS-DYNA提供了關(guān)鍵詞“MAT_ADD_EROSION”用于創(chuàng)建數(shù)值模擬系統(tǒng)中的物料破碎失效的特定單元。煤巖的抗剪強(qiáng)度為1.1MPa～16.2MPa，抗拉強(qiáng)度為2.0MPa～4.9MPa。在掘進(jìn)機(jī)截割頭截割物料軟件數(shù)據(jù)彈窗設(shè)定煤巖的抗剪強(qiáng)度為3MPa，抗拉強(qiáng)度為2.3MPa。數(shù)值模擬系統(tǒng)中當(dāng)某些部位煤巖因截割頭上截齒的截割作用使剪切力達(dá)到3MPa或拉應(yīng)力達(dá)到2.1MPa時(shí)，煤巖發(fā)生破壞[4]，在計(jì)算分析軟件的彈窗會出現(xiàn)失效的單元格。最終在分析前在K文件中設(shè)置關(guān)鍵詞可以在數(shù)值模擬整個(gè)進(jìn)行內(nèi)容時(shí)監(jiān)測不同的單元所承載的剪切力和拉應(yīng)力。

2.5 求解及后處理

在模擬計(jì)算后，對應(yīng)展示結(jié)果被寫入輸出窗口內(nèi)。要了解具體相對真實(shí)的截齒截割物料過程，需要對模擬結(jié)果進(jìn)行后處理，讀取和分析數(shù)據(jù)，然后利用LS-PREPOST插件后處理器對模擬結(jié)果進(jìn)行后處理和分析。在計(jì)算機(jī)中模擬截割頭平行截割截割頭截割煤巖的過程如圖2所示。

圖2 平行截割截割頭截割煤巖的應(yīng)力云圖

2.6 不同截割速度對應(yīng)的結(jié)果

該文截割轉(zhuǎn)速均設(shè)定為=44r/min，然后討進(jìn)行進(jìn)給速度變化差異分析。當(dāng)進(jìn)給速度=0.6m/min時(shí)，截割頭在截割煤巖工作過程中，截割頭所受到的三向力曲線及合外力曲線如圖3～圖4所示，最大三向力231.9N，最小三向力-2802.8N，最大合外力2803.2N。

圖3 截割頭的三向力曲線

圖4 截割頭的合力曲線

當(dāng)進(jìn)給速度＝1.8m/min時(shí)，截割頭在截割煤巖工作過程中，截割頭受到的三向力曲線及合外力曲線如圖5～圖6所示，最大三向力608N，最小三向力-1781.4N，最大合外力1787.4N。

圖5 截割頭的三向力曲線

圖6 截割頭的合力曲線

表2進(jìn)給速度不同時(shí)，截割頭所受到的各向阻力的統(tǒng)計(jì)值。

表2 平行截割不同速度時(shí)阻力統(tǒng)計(jì)值

2.7 結(jié)論

截割阻力顯示為力的突變反映，體現(xiàn)出煤巖為整實(shí)體情況脫落前截割阻力逐漸增大，然后出現(xiàn)峰值，在壓實(shí)核脫落瞬間，截割阻力迅速減小為零，體現(xiàn)了截割煤巖破壞的機(jī)理。

不同的平行截割工作速度，截割頭受力表象差異有很大的不同。三向力在截割過程中均呈現(xiàn)出不規(guī)則的波動，主要是與煤巖各向異性的性質(zhì)及煤塊的崩裂有關(guān)。

截割進(jìn)給速度在0.6m/min時(shí)，受到的合外力均值最小，對應(yīng)的截割頭上的截齒消耗也最小，但工作效率會低，工作時(shí)間會長。

截割進(jìn)給速度在1.8m/min時(shí)，截割頭承擔(dān)的抗拒阻力和仰角向力增大到同截割阻力處于同一水平，使截割頭所受的力相對平衡。所以，進(jìn)給速度在1.8m/min時(shí)，掘進(jìn)機(jī)截割頭的受力相對平穩(wěn)，工作速率高。

掘進(jìn)機(jī)截割頭平行截割工況的方向所受外力最大，截割頭上受力最大的都是在截齒接觸煤巖的法向面方向。

3 結(jié)語

該文進(jìn)行了掘進(jìn)機(jī)截割頭平行截割不同速度的模擬分析。截割頭在平行截割時(shí)的合外力隨時(shí)間成長的波動幅度，差異系數(shù)也隨之增加，說明截割頭受力差異幅度越震蕩，截割頭振動越激烈。

該文還進(jìn)行了截割頭整體仿真分析，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的合理性，可避免過多的截齒試驗(yàn)，縮小設(shè)計(jì)周期，降低成本。通過對不同參數(shù)的截割煤巖的模擬分析，對截割頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于顯式動力學(xué)建立截齒截割煤巖的仿真模型，通過分析截割受力情況，為截割頭截齒設(shè)計(jì)及空間排布提供重要參考，為掘進(jìn)機(jī)日新月異的發(fā)展做出了數(shù)據(jù)支持，也是該模擬試驗(yàn)的重大價(jià)值體現(xiàn)。

在保證掘進(jìn)機(jī)截割部正常掃料落煤的情況下，根據(jù)地質(zhì)條件合理確定進(jìn)給速度，能降低截割部截齒的受力及損耗，為提高掘進(jìn)機(jī)的井下截割工作效率提高做出了數(shù)據(jù)支撐，對掘進(jìn)機(jī)實(shí)際工作具有一定的參考價(jià)值。