镐型截齿不同角度对掘进机截割性能的影响研究_赵书山.pdf

镐型截齿不同角度对掘进机截割性能的影响研究赵书山（晋能控股煤业集团挖金湾煤业公司，山西大同037000）摘要：镐型截齿在截割头上进行安装时的切削角及倾斜角对截齿的截割性能具有重要的影响作用，采用有限元仿真分析的形式，对不同的切削角及倾斜角的截割阻力进行分析。结果表明，在切削角度为 45、倾斜角度为15时截齿作用的截割阻力最小，截齿的截割性能最好，在煤岩的截割过程中应尽量选取最优的角度，提高掘进机的效率。关键词：镐型截齿；切削角；倾斜角；截割阻力；截割性能中图分类号：TD42文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0028-020引言我国具有丰富的煤矿资源，随着采煤技术的发展，煤矿的开采效率逐渐提升，与之配套的矿井掘进效率也需要提升，从而达到采掘比的平衡，提高煤矿的综合效率。在矿井掘进的过程中，悬臂式掘进机是主要的掘进设备1，可以实现矿井巷道的机械化综掘，对巷道掘进效率的提高具有重要的意义。在悬臂式掘进机中，截割头是参与煤壁破岩的主要构件，多采用镐型截齿进行煤岩的截割2，截割头的性能对掘进机的整机效率及截割块煤率及工作的稳定性具有重要的影响作用。镐型截齿在截割头上的安装角度不同对煤岩截割的作用不同，造成掘进机的截割性能不同，从而影响巷道的掘进效率3。针对镐型截齿在截割头上的安装角度，采用有限元仿真模拟的形式对截割过程中产生的截割阻力进行分析，从而选取较小的截割阻力，提高掘进机的截割性能，提高巷道的掘进效率。1镐型截齿不同角度数值分析模型的建立镐型截齿是悬臂式掘进机常用的截齿类型，截齿在截割头上的安装主要取决于切削角及倾斜角，如图1 所示，其中切削角 指镐型截齿自身的中心线与齿尖的运动轨迹切线之间的夹角4，倾斜角 指垂直于截割头中心线的平面和截齿齿尖运动轨迹的切线与截齿中心线组成的平面之间的夹角值。针对镐型截齿的角度对截割性能影响进行分析，对切削角及倾斜角分别进行建模分析，对单个截齿的作用进行仿真分析，采用 UG 软件建立不同切削角及倾斜角的模型，如图 2 所示。采用有限元分析软件LS-DYNA 进行截齿截割性能的分析5，LS-DYNA 是通用的显式动力分析软件，能够对煤岩破碎等非线性问题进行模拟，在工程领域中具有广泛的应用，包含有多种形式的单元类型，能够较好地满足截齿及煤岩的特征参数6，从而进行准确地计算。将建立好的截齿及煤岩模型进行格式转换并导入到 LS-DYNA 软件中，对其进行网格划分处理。在LS-DYNA 软件中，solid164 单元采用 8 节点的六面体结构形式，能够模拟撞击及剧烈震动产生的变形及失效等作用7，作为煤岩的单元类型，截齿的单元类型采用 solid168 单元，适合用于不规则的几何模型，对模型进行网格划分处理，采用四面体单元的形式进行自动化网格划分，可以减小网格划分的难度8，从而得到截齿截割的网格划分模型。对截齿及煤岩的材质参数进行设定，以 LS-DYNA软件中 rigid 刚体材料定义截齿模型，其密度为 7 800kg/m3，弹性模量为 460 GPa，泊松比为 0.3；选用 193号 prager 作为煤岩材料的本构模型9，其密度为1 400 kg/m3，弹性模量为 3 GPa，泊松比为 0.36。在截齿进行煤岩的截割过程中，截齿触碰到煤岩，煤岩受压并贯穿到煤层的内部，且截齿也会贯穿，采用面-面侵蚀的接触形式定义截齿与煤岩的接触类型10，设收稿日期：2022-04-11作者简介：赵书山（1994），男，内蒙古察哈尔右翼前旗人，本科，毕业于太原理工大学现代科技学院，助理工程师，研究方向为机械设计制造及其自动化。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.011图 1截齿安装角度的示意图图 2截齿截割煤岩模型试验研究2023 年第 6 期（下转第 32 页）置截齿面为接触面，煤岩为目标面。在计算过程中，限制煤岩所有的自由度11，采用一定大小的煤岩模拟截割时无限的煤岩，设定煤岩无反射边界约束12。2镐型截齿不同角度截割性能的模拟分析2.1不同切削角度截齿的截割阻力仿真分析对截齿的切削角度进行分析，选取四种不同的切削角度分别为 35、40、45、50，设定截齿作用截深为 40 mm，进给速度为 3 m/min，切削时间为 4 s，对截割过程中的截割阻力进行分析，其中切削角度为40时的截割阻力变化，如图 3 所示。从图 3 中可以看出，在截齿进行煤岩截割的过程中，截齿的截割阻力呈一定的波动，这是由于煤岩的材质不均及掘进机的振动造成的。在截齿进行截割的过程中，截割阻力的上下差别较大，对不同切削角的截割阻力的平均值及最大值进行后处理，得到截割阻力的变化如图 4 所示。从图 4 中可以看出，在不同的切削角度下进行煤岩截割时，随切削角度的增加，截割阻力的最大值及平均值的变化趋势保持一致，均呈现一定的先增加后减小然后急剧增加的趋势。在截齿切削角度为 45时，截割阻力的最大值及平均值均呈最小的状态，在50切削角度时的截割阻力急剧增大，不利于截割过程的进行，而减小切削角度时截割阻力值也有所增加。对 45切削角度的截割阻力进一步分析发现，此时截割阻力的波动值也较小，截割过程平稳，此时掘进机的截割性能较好，能够提高掘进机的使用寿命。2.2不同倾斜角度截齿的截割阻力仿真分析对截齿的倾斜角度进行分析，选取四种不同的切削角度分别为 5、10、15、20，设定截齿切削角度为 45，作用截深为 40 mm，进给速度为 3m/min，切削时间为 4 s，对截割过程中的截割阻力进行分析，同样对不同倾斜角的截割阻力的平均值及最大值进行后处理，得到截割阻力的变化如图 5 所示。从图 5 中可以看出，在不同的倾斜角度下进行煤岩截割时，随倾斜角度的增加，截割阻力的最大值及平均值的变化趋势基本保持一致，均呈现一定的先减小后增加的过程，仅在 10倾斜角度时的均值与 5时的相差不大。在截齿倾斜角度为 15时，截割阻力的最大值及平均值均呈最小的状态，在 20切削角度时的截割阻力急剧增大，不利于截割过程的进行，而减小倾斜角度时截割阻力值也有所增加，且较小的倾斜角度时的截割阻力最大。截齿的倾斜角度为15时，截齿受到的截割阻力值最小，截割过程稳定，此时掘进机的截割性能较好，能够提高掘进机的使用寿命。3结语掘进机是进行煤矿掘进开采中的掘进设备，对于实现煤矿的综采综掘机械化具有重要的作用。镐型截齿是掘进机截割头常用的截齿类型，对煤岩进行截割破碎，在截齿的安装过程中，截齿的切削角及倾斜角对截割的性能具有重要的影响作用。采用有限元仿真的形式建立截齿截割煤岩的模型，在四种不同的切削角及倾斜角下对煤岩的截割过程进行仿真模拟。对截割过程中的截割阻力进行分析可知，在切削角度为45、倾斜角度为 15时截齿作用的截割阻力最小，此时截齿的截割性能最好，能够提高掘进机的效率及寿命。在进行镐型截齿的设计使用时，应尽量选取最优的角度，提高煤矿的掘进效率。参考文献1沈阳，王鹏江，吉晓冬，等.二维里程辅助的掘进机自主导航方法研究J.仪器仪表学报，2021，42（11）：96-105.2黄鸿颖，管会生，赵康，等.全断面掘进机刀具的谱系化设计及查询推荐系统研究J.现代隧道技术，2021，58（5）：213-220.3冯晓宁，杨帆，彭易，等.悬臂掘进机在泥质砂岩隧道中的应用J.建筑技术开发，2021，48（22）：103-104.4胡付凯，魏训涛，徐鹏飞，等.EBZ260 掘进机在极限工况下的纵向稳定性分析J.煤矿机械，2022，43（1）：81-82.图 3切削角 40时截割阻力变化曲线图 4不同切削角度的截割阻力变化曲线图 5不同倾斜角度的截割阻力变化曲线605040302010001234时间/s4035302520151050303540455055250200150100500切削角度/（）截割阻力平均值/N截割阻力最大值/N平均值最大值45403530252015105010152025300250200150100500倾斜角度/（）截割阻力平均值/N截割阻力最大值/N05平均值最大值截割阻力/N赵书山：镐型截齿不同角度对掘进机截割性能的影响研究29机械管理开发第 38 卷优先采用冗余驱动。4悬臂式掘进机关键结构运动特性模型工程应用根据仿真模拟结果，将悬臂式掘进机关键结构运动特性模型在悬臂式掘进机关键机构优化设计中进行具体应用，最终发现相对于传统冗余特性模型来说，所提出通过基本副替代运动副的冗余驱动模型不仅可以有效简化虚拟样机模型的仿真模拟性能要求，还能够有效提高虚拟样机仿真模型结构的精准性，进而为设计工作者对于悬臂式掘进机关键结构优化设计提供更为科学合理的模型支持，降低结构设计难度，提高设计效率，保障设计有效性，所以值得在当前悬臂式掘进机关键结构优化设计中进行参考应用。5结语本文提出一种通过基本副替代运动副的冗余驱动模型，并将此模型与非冗余驱动模型进行匹配对比，最终发现冗余驱动模型与非冗余驱动模型所获取的仿真模拟结果基本保持一致，说明冗余驱动模型具有较强的实用性。同时，因为冗余驱动模型可以有效改善悬臂式掘进机关键结构运动性能，所以相比较非冗余驱动模型，冗余驱动模型具有更强的实用价值，可以在后续悬臂式掘进机关键结构设计优化中进行参考应用。参考文献1朱阳阳.悬臂式重型掘进机伸缩结构的设计与分析J.煤矿机械，2020，41（5）：114-116.2冯君玲，田慕琴，贺颖，等.纵轴式掘进机截割头载荷影响因素的仿真分析J.工矿自动化，2020，46（5）：21-27.3王本林.悬臂式掘进机铲板结构参数解析设计J.煤矿机电，2020，41（3）：116-117；119.4王艳丹，邵辉，宋禹.EBZ135 悬臂式掘进机液压控制系统分析J.中国机械，2020（5）：22-23.5张强.不同工况下 EBZ160 型悬臂式掘进机回转台的结构强度分析J.机械管理开发，2021（4）：86-88.（编辑：王慧芳）Analysis of the Motion Characteristics of the Key Structure of a Cantilever TunnelingMachineGao Yanan（Jinneng Holding Coal Industry Group Yongdingzhuang Coal Industry Company Innovation Company,Datong Shanxi 037003）Abstract:Based on the working principle of a cantilever tunneling machine,a redundant driving model is proposed that replaces themotion pair with a basic pair.However,considering the specific motion situation of the key structure of the cantilever tunneling machine,the effectiveness of this redundant driving model is studied.In the specific research process,two types of models will be constructed,namely non redundant driven model and redundant driven model,and matching and comparison of the two models will be achieved in thespecific model simulation analysis process to verify the effectiveness of the redundant driven model proposed in this article.Finally,theredundant driven model will be applied to engineering time to further verify and analyze the effectiveness of the model.Key words:cantilever tunneling machine;key structures;motion characteristics5李志海，刘治翔，谢苗，等.交替测量式掘进机定位系统误差建模与分析J.工矿自动化，2022，48（1）：7-15；32.6杨阳，王鹏江，吉晓冬，等.基于模糊数学的掘进机截割头转速分档预测方法J.煤炭工程，2022，54（2）：172-176.7石茂林，孙伟，宋学官.隧道掘进机大数据研究进展：数据挖掘助推隧道挖掘J.机械工程学报，2021，57（22）：344-358.8刘志强，宋朝阳，程守业，等.全断面竖井掘进机凿井围岩分类指标体系与评价方法J.煤炭科学技术，2022，50（1）：86-94.9刘双，郝素锋，郑永光.全断面隧道掘进机系列国家标准助推中国高端装备“走出去”J.建筑机械，2021（11）：18-19.10程云飞.EBZ135 型矿用掘进机截割头截齿的受力分析及其优化改进J.机械管理开发，2021，36（8）：70-71；74.11韩艳赞，史增芳.基于 ABAQUS 的掘进机截割臂载荷分析与研究J.煤炭技术，2021，40（9）：174-176.12段鹏鹏.EBZ220 掘进机销轴在不同工况下的结构强度分析J.机械管理开发，2021，36（10）：140-142.（编辑：王慧芳）Research on the Influence of Different Angles of Pick Pick on the Cutting Performance ofRoadheaderZhao Shushan（Jinneng Holding Coal Industry Group Wajinwan Coal Industry Company,Datong Shanxi 037000）Abstract:The cutting angle and inclination angle of the pick type pick during installation on the cutting head have an important impact onthe cutting performance of the pick.Finite element simulation analysis is used to analyze the cutting resistance of different cutting anglesand inclination angles.The results show that when the cutting angle is 45 and the inclination angle is 15,the cutting resistance ofthe cutting teeth is the smallest,and the cutting performance of the cutting teeth is the best.In the cutting process of coal and rock,theoptimal angle should be selected as much as possible to improve the efficiency of the tunneling machine.Key words:pickaxe type pick;cutting angle;inclination angle;cutting resistance;cutting performance（上接第 29 页）32