基于ABAQUS的采煤机滚筒截割煤壁动力学分析.pdf

2023.8 矿业装备/1790 引言滚筒作为采煤机上与煤壁直接接触的部件，在实际应用过程中工作环境较为复杂，再加上制造水平的局限性，使得采煤机滚筒在应用中极易出现截齿损坏等情况1-2。对此，为提高截齿的使用寿命，提高采煤机工作效率，本文将基于 ABAQUS 软件开展采煤机滚筒截割煤壁动力学分析，并根据分析结果提出优化采煤机滚筒优化方案，以期能够对当前采煤机滚筒结构优化提供理论参考。1 煤岩的形成及特性煤作为一种古代植物在地下经过一系列物理化学、生物化学变化后所产生的不可再生固体燃料，其内部结构极为复杂，包含各种层理和裂纹，并且不同地区的煤岩的机械性质和内部结构也存在较大区别3。此种复杂条件促使煤岩注定是一种非均匀性脆性材料，实际开采环境极为复杂，易对开采设备造成复杂开采因素影响。煤岩体作为煤矿开采中主要破碎开采对象，其在破碎开采中会耗费机械设备大量的能量用于克服截割阻力，而滚筒作为采煤机的重要结构部件，其需要根据煤岩体的特性合理调整结构形式、运动姿态、截齿排列以及滚筒安装形式，进而保障采煤机的最佳工作性能4-5。因此，对煤岩体的物理性能进行分析研究，进而以此为基础合理设计采煤机滚筒结构，将可以有效提高采煤机的整体工作性能。2 采煤机滚筒截割煤壁过程有限元模型构建在采煤机滚筒方面，在通过 ABAQUS 软件构建采煤机滚筒截割煤壁过程有限元模型前，需要先采用 UG 软件构建滚筒和截齿三维几何模型，然后将所构建出的模型导入到 ABAQUS。在软件中，需要对滚筒和截齿材料参数进行合理设置。其中，截齿的材料采用 42CrMo钢，此种材料的弹性模型、泊松比及密度分别为 212GPa、0.28、7850kg/m3；吞声材料采用 YG 系列硬质合金，此种采用的弹性模量、泊松比及密度分别为 600GPa、0.22、14600kg/m3。在煤壁方面，煤壁模型会直接采用 ABAQUS 软件进行构建，并在构建完成后为煤壁材料设置。煤壁材料将会根据实际煤壁特点合理设置，具体材料的密度、弹性模量、泊松比、抗压强度性能、抗拉强度性能分别为1429kg/m3、23GPa、0.25、16MPa、3MPa。在完成采煤机滚筒和煤壁有限元模型构建以后，还需要将两类模型进行合理组合，组合后的模型如图 1 所示。此后，还应基于ABAQUS的采煤机滚筒截割煤壁动力学分析郝志敏（山西宁武大运华盛南沟煤业有限公司，山西忻州 036700）摘要：基于煤岩的形成及特性，运用 ABAQUS 软件构建采煤机滚筒截割煤壁过程有限元模型，并以此为基础，开展采煤机滚筒截割煤壁动力学分析，根据分析结果提出采煤机滚筒优化方案，并为验证此方案的有效性，将优化方案应用于工程实践。关键词：采煤机；滚筒；截割煤壁；动力学分析；ABAQUS图1 滚筒和煤壁组合模型示意图180/矿业装备 MINING EQUIPMENT装 备对组合模型进行网格划分，具体划分采用六面体自由网格划分方式进行，目的在于降低动力学仿真中计算机性能压力。3 基于 ABAQUS 的采煤机滚筒截割煤壁动力学分析3.1 滚筒截割煤壁过程通过 Visualization 模块获取滚筒截割煤壁过程动画，并由此来获取滚筒截割煤壁过程特征，具体情况如图 2 所示。如图 2 所示，在滚筒截割煤壁过程中，滚筒会在煤壁上留下较为明显的截槽，并且在煤壁的不同位置，滚筒对煤壁所施加的应力也不尽相同，即滚筒截割煤壁过程具有应力不均匀等情况。3.2 滚筒三向受力曲线为能够确定滚筒在不同升角时截割力变化情况，以下将分别采用 20、18以及 22滚筒叶片升角来进行仿真模拟，进而获取到不同滚筒叶片升角时的截割力数据，并将相关数据导入到 MATLAB 软件中，绘制出滚筒截割力曲线如下所示。如图 3 至图 5 所示，虽然在研究中采用三种不同的滚筒叶片升角，但不同叶片升角下所产生的滚筒截割力变化趋势却是大体相同的。具体表现为滚筒截齿在图2 滚筒截割煤壁过程及煤壁破坏仿真模拟图图5 滚筒叶片22升角时截割力曲线图4 滚筒叶片18升角时截割力曲线图3 滚筒叶片20升角时截割力曲线b 煤壁破坏图a 滚筒截割煤壁过程时间/s时间/s时间/s受力/N受力/N受力/N2023.8 矿业装备/1810.464s 开始与煤壁接触，之后截齿与煤壁之间的接触力将会持续上升，并在 0.54s 左右点达到截割力曲线的峰值区域；然后截割力曲线开始持续走低，其根本原因在于此时滚筒已经与煤壁之间出现分离情况。综合分析后可以发现，在滚筒截割煤壁过程中，滚筒在于煤壁接触前，煤壁整体结构较为完整，并且存在一定的内聚力，内部也没有较为明显的裂纹。但在滚筒与煤壁接触以后，滚筒截齿将会插入到煤壁中，并随着滚筒的转动产生接触力，当接触力大于煤壁的内聚力时，便会导致煤壁被破坏拓宽，实现煤壁破碎开采效果，此时滚筒与煤壁之间的接触面持续减少，实际接触力也在同步下降。3.3 叶片升角对滚筒受力的影响通过对滚筒截割煤壁过程进行仿真模拟后，获取不同螺旋升角下滚筒截割合力及分力统计数据如表 1所示。叶片升角为 20的滚筒所承受截割合力平均值较小，而 22叶片升角的滚筒所承受截割合力平均值较大，由此可见在进行叶片升角设计时不应选用 22升角的叶片。在标准差方面，20和 22叶片升角的滚筒所承受截割合力标准差值较大，说明两种叶片升角的标准差波动较大，而 18叶片升角滚筒所承受的截割合力标准差值较小，说明该叶片升角所对应的滚筒载荷波动较小。因此，应优先选用 18叶片升角。此外，从三向分力结果也可以一定程度上验证此结果，具体表现为 18叶片升角在各方向上的受力平均值和标准差均相对较小，所以最终在综合分析后确定采煤机滚筒优化方案中采用18叶片升角。4 采煤机滚筒优化方案的工程应用通过有限元分析方式最终获取到采煤机滚筒最佳叶片升角为 18，但有限元分析过程较为理想化，相对于现实煤岩开采过程中复杂生产环境来说，难以实现各类性质的完全仿真模拟。因此，为能够进一步验证本文所提出采煤机滚筒优化方案的有效性，会根据优化方案制作出采煤机滚筒实物，并将优化后的采煤机滚筒应用于工程实践，并将其各方面工作性能与现有采煤机滚筒工作性能就分裂与匹配对比，以此来实现采煤机滚筒优化方案的检验分析效果。在此过程中，为保障数据的精准性，会通过传感器设备进行采煤机滚筒优化方案所对应的滚筒与现有采煤机滚筒进行数据采集，进而根据所采集数据进行匹配对比，保障研究结果的可量化特征，提高研究精准性。最终根据分析结果确定，相对于现有采煤机滚筒来说，本文所提出的采煤机滚筒优化方案更具实用性，具体表现为采煤机滚筒优化方案会降低采煤机滚筒截割煤岩时所承受的应力值，有效提高采煤机滚筒截齿的使用寿命，减少采煤机滚筒截齿更换需求，降低煤矿开采综合成本，更有利于增强煤矿企业市场竞争能力，所以值得对采煤机滚筒优化方案进行普及应用。5 结束语本文通过采用采煤机滚筒截割煤壁动力学分析方式，对采煤机滚筒截割煤壁过程中受力情况进行分析研究，进而提出一种采煤机滚筒优化方案。此方案将现有采煤机滚筒叶片升角调整为 18，进而有效降低采煤机滚筒截割煤壁时截齿所承受的应力值，提高截齿的使用寿命，减少采煤机生产中滚筒截齿更换维修需求，降低煤矿开采综合成本。如此，更有利于保障煤矿企业的实际经济效益，推动煤矿企业实现长久健康发展，所以值得在后续采煤机滚筒结构优化中进行参考应用。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矸煤岩强度分析 J.机械强度,2019,41(6):1493-1498.2 段哲林.滚筒式采煤机截割过程中截割部多体动力研究J.煤炭与化工,2017,40(9):62-65.3 魏慧娟.基于 ABAQUS 的双滚筒采煤机导向滑靴受力分析J.机械工程与自动化,2018(1):98-99+102.4 宋振铎,袁智,郝志勇.基于 ANSYS/LS-DYNA 的采煤机滚筒截割煤岩数值模拟研究 J.山西煤炭,2016,36(2):1-4.5 郑芝艳.滚筒式采煤机截割部动力学及扭矩轴动力学性能研究 D.太原:太原理工大学,2019.表1 不同叶片升角下滚筒截割合力及分力统计表叶片升角合力/Nx方向分力/Ny方向分力/Nz方向分力/N平均值 标准差 平均值 标准差 平均值 标准差 平均值 标准差1833233987230633433343270920650203153508322144877487721931756392234525571259154705470248033642