采煤机截割煤岩石的数值模拟研究.pdf
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1、试验研究andManagementMechanicalNo.7,2023Development2023年第7 期Total243总第2 4 3 期机械管理开发D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.026采煤机截割煤岩石的数值模拟研究郝伟(山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿生产调度指挥中心,山西古交030200)摘要:针对采煤机在实际生产过程中截割部所承受的载荷为交变状态,再加上环境的恶劣性导致截齿的性能受到影响。以截割部截齿为研究对象,基于计算机分析软件建立截齿和煤岩层的装配模型,并结合现场参数完成模型中参数设置;开展截割速度、截割深度和截割角度对截割煤岩层时截齿的应力场
2、合温度场数值模拟研究,为确定最佳截割工艺参数,提升装备的使用性能奠定基础。关键词:采煤机;煤岩石;截割速度;截割角度;截割深度;截齿中图分类号:TD421.6文献标识码:A文章编号:10 0 3-7 7 3 X(2023)07-0067-020引言采煤机为煤矿生产的关键设备,鉴于煤矿综采工作面相对复杂的生产条件及其所承受的加大载荷导致采煤机零部件极易发生损坏且失效。截齿作为与煤岩层直接接触的部件,其性能直接决定了采煤效率、生产成本以及人员的劳动强度1。刀型和镐型为两种常见的截齿类型,而目前对于更适用于实际生产工况的镐型截齿的研究较少。针对影响镐型截齿性能研究需要依靠大量的试验进行,消耗很多时间
3、和成本。基于此,将采用计算机分析软件对采煤机镐型截齿截割煤岩石数值模拟展开研究,为优化镐型截齿的性能奠定基础。1截齿截割煤岩石模型建立在实际生产中,采煤机截割部截割煤岩层时经历变形、微裂纹产生、压实核产生、裂纹扩展破裂四个阶段。采煤机截割部截齿在实际生产中处于相对恶劣的生产环境,且一直承受着交变载荷,导致截齿与煤层直接接触的部件容易产生磨损或者失效,主要表现为磨粒磨损、疲劳磨损、硬质合金头脱落和齿体完全折断等形式。结合实践生产和理论研究的基础,影响采煤机截割部截齿截割性能的因素包括截割速度、截割深度、截割角度、截槽形状和截齿磨钝等2 。1.1截齿模型的建立本文所研究截齿由齿体和合金头采用钎焊的
4、工艺完成。因此,截齿模型建立时需要分别建立合金头和齿体的模型。为了简化计算过程,需要对模型中的圆角和倒角进行忽略处理。镐型截齿的长度为16 0mm,合金头的直径为2 5 mm,齿尖锥角为8 0,齿体的直径为3 8 mm,合金头与齿体连接大端面的直径为6 5 mm,镐型合金头和齿体的相关材料属性如表1所示。1.2煤岩模型的建立为真实反映截割煤岩层时截齿的性能,在对实际表1镐型截齿合金头和齿体材料属性部件密度/(kg/m)弹性模量/MPa泊松比合金头1460061050.22齿体78502.121050.28煤岩层属性检测的基础上,在仿真模型中对煤岩层模型的参数进行设置,如表2 所示。表2 火煤岩
5、层材料属性密度!弹性模量单轴抗压内摩擦角/参数泊松比(kg/m)/MPa强度/MPa数值1500130000.34040本文所建立的煤岩层模型的尺寸为4 0 0 mm150 mm 150 mm。将分别建立的截齿和煤岩层装配为数值模拟模型,设定的截割深度为2 0 mm,将截齿与煤岩层的法线方向设定为4 5 2截齿截割煤岩层的性能数值模拟研究截割速度、截割深度、截割角度为影响截齿性能的主要因素3 。因此,本节重点对上述三个因素影响截齿性能数值模拟展开研究。从理论上讲,当截割速度在2 m/s时对应所承受截割阻力最小,因此研究的截割速度为1.5 m/s、2 m/s 和2.5 m/s下的性能进行对比;当
6、截割深度为5 2 0 mm时,截齿截割煤岩层时的截割阻力和截割比能耗均较小,因此研究截割深度为10mm、15 m m 和2 0 mm下的截齿性能进行对比;当截割角度在4 0 5 0 的范围之内,截齿所承受的截割阻力值最小,因此研究截割角度为3 5、4 5 和55下的截齿性能进行对比。2.1截割角度、截割深度与截齿应力场的关系截割角度和截割深度两项因素对截割应力场影响比截割速度对截割应力场的影响显著。针对截齿应力场的分析,重点确定截割角度和截割深度的最佳匹配值,将截割速度设定为2 m/s。经仿真分析,得出不收稿日期:2 0 2 2-0 4-13作者简介:郝伟(19 8 3),男,山西古交人,毕业
7、于山西大同大学采矿工程专业,研究方向为机电。-68第3 8 卷机械管理开发同截割角度和截割深度的应力均值如表3 所示。表3截割角度和截割深度对应截齿的应力均值应力/MPa应力均值截割深度354555/MPa10mm417.73204.61283.15301.8315mm525.02310.13325.02386.7320 mm565.54353.32361.12426.66应力均值502.76289.35323.10371.74分析表3 中的数据可知,当截割角度一定时,随着截割深度的增加截齿所承受的应力均值增加;当截割深度达到一定时,随着截割角度的增加,截齿所承受的应力均值呈现先减小后增大的变
8、化趋势。当截割角度为4 5 时,与3 5 和5 5 的截割角度相比对应的截割应力最小4 。因此,在实际生产中基于截割角度4 5 的情况对截齿安装角度进行安装,并根据生产情况对截割深度和截割速度进行调整。以截齿应力场为目标,最佳组合如下:截割角度为4 5,截割深度为10 mm,截割速度为2 m/s。2.2截齿截割煤岩的热应力分析在上述动力学模型的基础上,增加硬质合金头、齿体以及煤岩层材料的热性能参数,参数设置如表4所示。表4数值模拟模型各部分热性能参数项目热传导率/(WmK-)比热容/JkgK-)热膨胀系数/K-1硬质合金头75.42204.5 10-6齿体42.74771.6106煤岩层4.3
9、512601 10-6以截割深度为例,研究截割深度对截齿截割煤岩层时的温度场进行对比。设定截齿的锥角为8 0,截割角度为4 5,截割速度为2 m/s,对截割深度为10mm、15 m m 和2 0 mm对应截齿的温度场进行数值模拟,仿真结果如图1所示。如图1所示,随着截割深度的增加,对应截齿截割煤岩石的温度越高,当温度达到一定值后截齿温度不再升高。同理,得出当截割深度和截割角度一定时,随着截割速度的升高对应截齿的温度也升高,当温度到达一定值后升高温度和散热量达到平衡并保持稳定状态5 ;当截割深度和截割速度一定时,截割角度对截齿温度场的影响如图2 所示。如图2 所示,在其他参数一定的条件下,当截割
10、角度为4 5 时对应截齿截割煤层时的温度最小,且当温度达到一定值后由于温度升高和散热达到的平衡状态保持稳定。从截齿温度场为目标,当截割角度为4 5 时,对应截齿的温度最小;而截割深度和截割速度从理论上-20mm100-15mm.-10mm803./6040200.00.51.01.52.02.5时间/s图1截割深度对截割温度场的影响803545705560/504030200.00.51.01.52.02.5时间/s图2截割角度对截割温度场的影响讲,在满足生产效率的情况下应尽可能的小,以保证截齿的温度最小。3结语采煤机为煤矿生产的关键设备,采煤机的生产能力和效率直接决定了工作面的生产能力;截齿
11、作为与煤岩层直接接触的部件,其性能直接决定采煤机的性能。对于实际生产中截齿的截割速度、截割深度以及截割角度等均是影响采煤机性能的关键因素。本文基于计算机分析软件对采煤机截割煤岩展开数值模拟研究,为确定采煤机的最佳截割参数奠定基础。以采煤机截齿应力场和温度场两项考核指标,分别得出:在保证综采工作面生产能力和效率的基础上,截割角度为4 5 且截割深度和截割速度尽可能的小时对应的截齿的性能越好,其可靠性和使用寿命越好。参考文献1刘旭南,赵丽娟,周文潮,等.基于LS-DYNA的采煤机滚筒截割夹研煤岩强度分析J.机械强度,2 0 19,4 1(6):3 6.2张美晨,赵丽娟,王雅东.基于CPS感知分析的
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