碟盘刀具截割煤岩温度及磨损行为研究.pdf
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1、煤矿机电与智能化碟盘刀具截割煤岩温度及磨损行为研究刘春生1,2,党振乾2,刘延婷2,刘若涵2,徐鹏2,王磊2,马化凯1(1.黑龙江科技大学机械工程学院,黑龙江哈尔滨150022;2.黑龙江科技大学安全工程学院,黑龙江哈尔滨150022)摘要:采掘机械截割刀具与煤岩体作用的产热机制、磨损行为及截割载荷与煤岩特征定量关系,是解决截割刀具磨损失效、寿命短,实现安全、高效掘进巷道的关键。通过综合分析温度对刀具寿命、磨损及截割效率的影响,探究碟盘刀具截割煤岩的温度及磨损分布规律,揭示碟盘刀具截割煤岩的产热机制与磨损特性,在无振动和轴向激励振动截割条件下,通过摩擦做功分别确立了刀具楔面和刀刃的热流密度计算
2、关系式,基于瞬时点热源情况下半无限体传热模型和热补偿原理,给出了碟盘刀具楔面不规则面热源和刀刃线热源的传热模型,建立了任意一点的温度数学模型,解算分析相关参数对刀具温度场影响,利用有限元 ABAQUS 和离散元 EDEM 软件,模拟不同进给速度下碟盘刀具截割煤岩的温度场及磨损特性,搭建碟盘刀具振动截割煤岩的实验系统,测试碟盘刀具破碎煤岩的温度特征,综合理论、模拟和实验探究碟盘刀具温度与磨损行为特征及分布规律。结果表明:碟盘刀具温度变化特征主要集中在刀刃上,从刀刃向楔面逐渐递减,沿碟盘刀具圆周温度呈类抛物线分布,温度从中间刀刃向两侧逐渐减小;不同进给速度下,无振动和轴向激励振动理论计算(截割时间
3、趋于无穷大)获得的稳态平均最高温度分别为 374.76 和 245.72,模拟获得的(截割时长 3s 左右)平均最高温度分别为 80.13 和 73.60,无振动的平均最高温度高于振动 8.87%,实验获得的(截割时长 3s 左右)分别为 72.56 和 66.99,无振动的平均最高温度高于振动 8.45%,模拟和实验的平均误差为 11.69%;碟盘刀具截割煤岩实验过程中刀具出现的周向自旋现象利于其均匀磨损,振动截割相对于无振动更为明显;碟盘刀具刀刃温度耗散呈现非线性下降趋势,从刀刃向楔面快速传递,其结构形式可避免因温度累积集中而加剧刀具局部磨损;碟盘刀具磨损集中在刀刃处,圆周相对磨损量呈类抛
4、物线分布,中间刀刃相对磨损量较大,两侧刀刃相对磨损量逐渐减小,ABAQUS 模拟结合刀具磨损模型估算刀刃相对磨损量特征规律与 ED-EM 模拟给出的相同;碟盘刀具圆周相对磨损量与温度特征规律相吻合,相关性系数均高于 0.90,截割温度能够表征刀具磨损情况。综合理论、模拟和实验获得了碟盘刀具截割煤岩的温度分布特性与磨损规律的内在关联,3 者温度变化规律具有一致性,验证了刀具传热模型的准确性和有效性。关键词:碟盘刀具;煤岩截割;传热模型;温度分布;磨损特征中图分类号:TD42文献标志码:A文章编号:02539993(2023)09358915Study on temperature and wea
5、r behavior of disc cutter in cutting coal rockLIUChunsheng1,2,DANGZhenqian2,LIUYanting2,LIURuohan2,XUPeng2,WANGLei2,MAHuakai1(1.School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science&Technology,Harbin150022,China;2.School of Safety Engineering,Hei-longjiang University of Science&Technol
6、ogy,Harbin150022,China)收稿日期:20221104修回日期:20230112责任编辑:郭晓炜DOI:10.13225/ki.jccs.2022.1586基金项目:国家自然科学基金面上资助项目(51974111);国家自然科学基金青年基金资助项目(52104130)作者简介:刘春生(1961),男,山东牟平人,教授,博士生导师。E-mail:liu_通讯作者:刘延婷(1994),女,四川内江人,博士研究生。E-mail:引用格式:刘春生,党振乾,刘延婷,等.碟盘刀具截割煤岩温度及磨损行为研究J.煤炭学报,2023,48(9):35893603.LIUChunsheng,DA
7、NGZhenqian,LIUYanting,etal.StudyontemperatureandwearbehaviorofdisccutterincuttingcoalrockJ.JournalofChinaCoalSociety,2023,48(9):35893603.第48卷第9期煤炭学报Vol.48No.92023年9月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYSep.2023Abstract:Theheatgenerationmechanism,wearbehaviorandquantitativerelationshipbetweencuttingloadandcoalro
8、ckcharacteristicsoftheinteractionbetweenthecuttingtoolofminingmachineryandcoalrockmass,arethekeysinsolvingthewearfailureshortlifeofthecutter,andrealizingthesafeandefficientheading.Bycomprehensivelyanalyzingtheim-pactoftemperatureontoollife,wear,andcuttingefficiency,thetemperatureandweardistributionl
9、awofdisccutterincuttingcoalrockareexplored,andtheheatgenerationmechanismandwearcharacteristicsofdisccutterincuttingcoalrockarerevealed.Underthecuttingconditionsofnon-vibrationandaxialexcitedvibration,theheatfluxcalculationfor-mulasofthecutterwedgesurfaceandthebladeareestablishedbyfrictionwork.Basedo
10、nthesemi-infiniteheattransfermodelundertheconditionofinstantaneouspointheatsourceandheatcompensationprinciple,theheattransfermodelsofwedgeirregularsurfaceheatsourceandbladelineheatsourceofdisccutteraregiven,andthetemperaturemathematicalmodelofanypointisestablished.Also,theinfluenceofrelevantparamete
11、rsonthetemperaturefieldofcutterwassolvedandanalyzed.UsingthefiniteelementABAQUS,anddiscreteelementEDEMsoftware,thestudysimulatesthetemperat-urefieldandwearcharacteristicsofdisccutterincuttingcoalrockatdifferentfeedspeeds,andsetsupanexperimentalsystemforvibrationcuttingcoalrockwithdisccutter.Furtherm
12、ore,thestudyteststhetemperaturecharacteristicsofcoalrockbrokenbydisccutter,andcomprehensivelyinvestigatesthedistributionlawoftemperatureandwearbehaviorchar-acteristicsofdisccutterintheory,simulation,andexperiment.Theresultsshowthatthecharacteristicsoftemperaturevariationofdisccutteraremainlyconcentr
13、atedontheblade,whichdecreasesgraduallyfromthebladetothewedgesur-face.Thetemperaturedistributionalongthecircumferenceofdisccutterislikeaparabola,andthetemperaturedecreasesgraduallyfromthemiddlebladetobothsides.Underdifferentfeedspeeds,thesteady-stateaveragemaximumtemperat-uresobtainedbytheoreticalcal
14、culation(cuttingtimetendstoinfinity)ofnon-vibrationandaxialexcitedvibrationare374.76and245.72respectively.Theaveragemaximumtemperaturesobtainedbysimulation(cuttingtimeisabout3s)are80.13and73.60respectively,andtheaveragemaximumtemperaturewithoutvibrationis8.87%higherthanthatwithvibration.Andtheexperi
15、mentalresults(cuttingtimeisabout3s)are72.56and66.99,andtheaveragemaximumtemperaturewithoutvibrationis8.45%higherthanthatwithvibration,theaverageerrorbetweensimulationandexperimentis11.69%.Intheexperimentalprocessofdisccutterincuttingcoalrock,thecircumferentialspinphe-nomenonofthecutterisconducivetoi
16、tsevenlywear,andvibrationcuttingismoreobviousthannon-vibration.Thetem-peraturedissipationofthedisccutterbladepresentsanonlineardownwardtrend,whichisrapidlytransferredfromthebladetothewedgesurface,itsstructuralformcanavoidaggravatingthelocalwearofthecutterduetotheaccumulationandconcentrationoftempera
17、ture.Thedisccutterwearisconcentratedattheblade,therelativewearalongthecircumfer-enceisaparaboladistribution,therelativewearofthemiddlebladeislarger,andtherelativewearofthetwosidebladesisgraduallyreduced.AndtheABAQUSsimulationcombinedthecutterwearmodelestimatesthecharacteristiclawofrel-ativebladewear
18、,whicharethesameasthatobtainedbyEDEMsimulation.Therelativewearamountofdisccuttercir-cumferenceisconsistentwiththetemperaturecharacteristiclaw,thecorrelationcoefficientsarehigherthan0.90,cuttingtemperaturecancharacterizethecutterwear.Theinternalconnectionbetweenthetemperaturedistributioncharacteristi
19、csofdisccutterincuttingcoalrockanditswearlawisobtainedbycomprehensivetheory,simulation,andexperiment,thethreetemperaturevariationlawsareconsistent,whichverifiestheaccuracyandeffectivenessofthecutterheattransfermodel.Key words:disccutter;coalrockcutting;heattransfermodel;temperaturedistribution;wearc
20、haracteristics煤矿巷道掘进领域中,截割刀具的磨损直接影响着采掘机械的掘进效率、工作性能和生产成本等1。截齿作为常用刀具,每年消耗量巨大,而碟盘刀具特殊的结构形式能减缓磨损,减少更换次数,降低生产成本。碟盘刀具截割温度是影响刀具寿命、磨损以及截割效率的重要因素,综合分析刀具磨损与温度特征信息具有重要意义。为了减少截割刀具磨损,提高刀具寿命,国内外学者从磨损机理、磨损经验模型和磨损特性等方面进行了研究。SU 等2根据岩石和镐齿参数,建立了 2种不同型号镐齿的磨损机理,分析了其与岩石力学和耐磨性之间的关系,以及镐齿材料对其磨损的影响。吴俊等3综合考虑盾构刀具的磨粒、黏着和疲劳磨损机制,
21、构建了滚刀和切刀的通用磨损预测模型,预测3590煤炭学报2023年第48卷结果与现场刀具磨损数据误差在 15%以内。柳培蕾等4在考虑滚刀破岩力和破岩轨迹的基础上,分别建立滚刀塑性和断裂 2 种去除机制的磨损模型,通过粒子群优化算法,优化 2 种去除机制的权重,并将计算结果与模拟磨损量对比,验证了磨损模型的准确性。佘磊等5基于密实核理论推导了密实核长度和滚刀法向荷载的解析式,建立了塑性去除机制的模型,给出了滚刀磨损速率和寿命预测指数模型,通过现场实测数据验证了该模型的可靠性。HASSANPOUR 等6统计分析了现场实测数据,建立了刀具磨损和寿命与地质参数之间的关系式,作为估算类似地质条件下刀具寿
22、命和磨损的经验预测模型,适用于 UCS 为30150MPa 的岩石。KARAMI 等7通过考虑 Cer-char 磨损指数(CAI)的滚刀磨损预测模型,发现预测准确性不高后,综合考虑 Cerchar 磨损指数(CAI)和岩石质量指标(RQD),进行非线性多变量回归,给出了新的磨损预测模型,用于估算滚刀的累积质量损失。AGRAWAL 等8利用多层浅层神经网络(MSNN)和响应面法(RSM)对现场和实验室数据进行了分析,探究了机器推力和扭矩对刀具磨损和穿透率的影响,发现 2 种方法均能预测关键变量的影响情况。无论是磨损机理模型还是预测模型,都有自身适用条件,不易在刀具工作过程中对磨损情况做出判断。
23、国内外学者对于刀具温度模型、影响因素和特征规律也进行了研究。KUMAR 等9统计分析了截割深度、进给速度和滚筒转速与截齿温度之间的关系,通过田口法、多元线性回归和人工神经网络建立了截齿温度经验模型,相比于田口法优化效果最好。张在兴等10-11根据平面热源法构建了切削齿前后刀面的平均温度模型,模拟分析了不同切削深度下破岩的受力状态和前后刀面的温度特征情况,以及切削角度对破岩模式和温度波动的影响,给出了临界厚度,以及临界值以上和以下对应的最优切削角度。部分学者发现刀具温度和磨损之间存在相关性,刀具截割过程中的温度能够被监测。RAUCH 等12综合分析 TBM刀盘上不同位置滚刀的磨损和温度数据后,发
24、现滚刀磨损结果与测量温度相关性很好,且高温位置和磨损位置一致。SAHINOGLU 等13测量了 TBM 工作过程中滚刀、刀盘和地层的温度,统计分析了开挖各个地层的温度值和磨损值,发现可根据开挖前和开挖中温度值估计每个地层滚刀的磨损量。张德义等14分别建立了未磨损和磨损截齿与煤岩强度关联的温升模型,探究了不同煤岩强度下截割试验的温度变化规律,验证了通过红外热像信息记忆截割识别夹矸巷道的可行性。采掘机械作业过程中,刀具与煤岩为滑动摩擦,载荷与速度对磨损的影响是由温度升高引起的,刀具的力学性能随着界面温升而退化,影响其摩擦学行为。以碟盘刀具温度间接反映磨损行为为研究重点,在无振动和轴向激励振动截割条
25、件下,建立了碟盘刀具传热模型,进行了不同进给速度下截割煤岩的数值模拟,以及振动截割实验,综合理论、模拟和实验探究碟盘刀具温度和磨损的特征规律,根据碟盘刀具温度特征规律,研究刀具不同区域相对磨损程度及分布。1碟盘刀具截割温度模型1.1截割煤岩产热状态在碟盘刀具截割煤岩过程中,刀具与煤岩的接触面之间存在摩擦,从而生成摩擦热。由于摩擦热的存在,刀具与煤岩表面的温度会大幅度升高,进而对碟盘刀具与煤岩摩擦面的物性产生一定影响:接触面的金属组织结构改变。碟盘刀具刀刃的接触面与煤岩摩擦做功,导致接触面温度升高,随着工作过程中温度的变化,金属表面产生退火现象,晶粒组织长大。碟盘刀具的硬度和力学性能下降。随着碟
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