碟盘刀具轴向振动破碎煤岩载荷模拟与粉碎量研究.pdf

第 48 卷第 1 期煤 炭 科 学 技 术Vol. 48 No. 1 2020 年1 月Coal Science and Technology Jan.2020 移动扫码阅读 刘春生,袁 昊,李德根 . 碟盘刀具轴向振动破碎煤岩载荷模拟与粉碎量研究[J]. 煤炭科学技术,2020,48 1189-195.doi10. 13199/ j. cnki. cst. 2020. 01. 024 LIU Chunsheng, YUAN Hao, LI Degen. Study on broken coal - rock load simulation and pulverization of axial vibration of disc cutter [ J ] . CoalScienceandTechnology, 2020, 48 1 189 - 195. doi 10. 13199/ j. cnki. cst. 2020. 01. 024 碟盘刀具轴向振动破碎煤岩载荷模拟与粉碎量研究 刘春生1,袁 昊2,李德根3 1.黑龙江科技大学,黑龙江 哈尔滨 150022；2.黑龙江科技大学 机械工程学院,黑龙江 哈尔滨 150022； 3.黑龙江科技大学 学术理论研究部,黑龙江 哈尔滨 150022 摘 要为提高煤岩的破碎效果,利用 ABAQUS 有限元软件分析一种碟盘刀具破碎煤岩的载荷特性, 在切削厚度为 1430 mm 的工况下分别进行碟盘刀具轴向振动与径向切削和径向单作用破碎煤岩的 仿真试验,采用数值统计和分形比例系数的方法分析碟盘刀具破碎煤岩的载荷谱。 结果表明在碟盘 刀具楔面角度为 45时、切削厚度 1430 mm 的范围,无轴向振动的碟盘刀具破碎煤岩的径向载荷峰 极大值与峰均值比有轴向振动情况下的大 6.2％、8.4％,从数值模拟应力云图可看出,施加轴向振动 的碟盘刀具破碎煤岩时其楔面对煤岩的应力影响范围更广,计算径向载荷谱的分形比例系数可知,无 轴向振动的分形比例系数比有轴向振动条件下的大 20.5％67.5％,说明有轴向振动下更有利于煤岩 的大块崩落。 该研究可为碟盘刀具的深入研究及工程实际应用提供参考。 关键词碟盘刀具；煤岩；振动破碎；载荷特性；分形比例系数 中图分类号TD42 文献标志码A 文章编号0253-2336202001-0189-07 Study on broken coal-rock load simulation and pulverization of axial vibration of disc cutter LIU Chunsheng1,YUAN Hao2,LI Degen3 1.Heilongjiang University of Science ＆ Technology,Harbin 150022,China；2.School of Mechanical Engineering,Heilongjiang University of Science ＆ Technology,Harbin 150022,China； 3.Department of Academic Research,Heilongjiang University of Science ＆ Technology,Harbin 150022,China AbstractIn order to improve the crushing effect of coal and rock,ABAQUS finite element software was used to analyze the load character- istics of broken coal and rock of disc cutter,the simulation test of axial vibration of disc cutter and radial cutting of broken coal rock under the working condition of cutting thickness of 14 to 30 mm is carried out.Numerical statistics and fractal scale coefficient are used to analyze the load spectrum of broken coal and rock with disc cutter.The results show that when the wedge angle of the disc cutter is 45 and the cutting thickness ranges from 1430 mm,the radial load peak maximum value and the peak-to-average ratio of the fractured coal of the disc cutter without axial vibration are 6.2％ and 8.4％,larger than those with axial vibration.From the numerical simulation stress cloud diagram,it can be seen that when the disc cutter with axial vibration is applied to crush the coal rock,the wedge has a wider influence range on the stress of the coal rock and the radial load spectrum is calculated.The fractal scale coefficient of the radial load spectrum shows that the fractal proportional coefficient without axial vibration is 20.5％67.5％ larger than that under axial vibration,which indicates that it is more favorable for large-scale collapse of coal and rock under axial vibration.This research provides a reference for the in-depth study and practical application of disc cutting tools,and lays a foundation for further research. Key wordsdisc cutter；vibration fracutrure；coal and rock； load characteristics； fractal scale coefficient 收稿日期2019-07-02；责任编辑赵 瑞 基金项目国家自然科学基金资助项目51674106；黑龙江科技大学研究生创新科研资金资助项目YJSCX2019-101HKD 作者简介刘春生1961,男,山东牟平人,教授,博士生导师。 E-mailliu_chunsheng＠ 0 引 言 目前对于全岩巷道的掘进大多还是以钻爆的方 式进行,并且我国含有夹矸的较硬煤岩保有量较大, 因此提高截割刀具破碎煤岩的效率及性能尤为重 要,国内外专家学者对破碎煤岩进行了大量研究,并 981 万方数据 2020 年第 1 期煤 炭 科 学 技 术第 48 卷 取得了一定的研究成果。 HURT 等[1]通过研究给出 了截齿破碎较硬煤岩时的主要失效问题。 OKAN 等[2]通过对截齿破碎煤岩的数值模拟并分析得出 的截割载荷特性,结果表明,离散单元法能较好地用 于煤岩截割仿真分析。 MOSTAFAVI 等[3]通过研究 截齿截割煤岩 3 种不同作用位置的截割效率和规 律,得出截齿正面与煤岩成零度角时效果最好。 李 勇等[4-5]基于高应力研究了镐型截齿的破碎煤岩规 律,发现了提高破碎效率和降低磨损量的方法。 刘 春生等[6-11]利用分形、熵等理论对单齿及多齿载荷 谱进行分析,给出了截齿各项参数对煤岩的破碎影 响规律,并基于 ABAQUS 对碟盘刀具进行了大量数 值模拟,为破碎机构及刀具的发展奠定了理论依据 及数值基础。 柴博等[12]利用有限元进行了截割头 截割煤岩的模拟,结果表明有限元能可靠精确地计 算截割载荷,提供为不同地质的煤岩选择合适的截 割头提供了依据。 关立坤等[13]采用 ABAQUS 有限 元动态仿真端盘截齿截割煤岩,得出截割阻力随着 轴向倾斜角和二次旋转角的增大而增加,牵引阻力 和侧向阻力变化平稳。 李晨等[14]应用有限元分析 方法模拟了锚杆的受力特性与试验有较好的吻合 度。 孙荣军等[15]利用数值模拟的方法对 PDC 破碎 煤岩的比能进行研究,得出最佳表面形状。 梁运培 等[16]在不同煤岩厚度和变截线距的工况下进行了 镐齿破碎煤岩的试验,并采用回归分析的方法得到 了力学参数与截割厚度和截线距之间的关系。 祝效 华等[17]利用 ABAQUS 建立了钻齿破岩动力学有限 元模型,得出有利于提高破岩效率的最佳载荷比。 以上学者在煤岩破碎方面的数值模拟及试验做了大 量研究,笔者借鉴众学者的研究经验和对破碎煤岩 的研究结果,基于 ABAQUS 有限元软件进行碟盘刀 具破碎煤岩的数值模拟,以煤岩的切削厚度为变量, 分析碟盘刀具在有无轴向振动条件下破碎煤岩的载 荷变化趋势,并利用分形特征参数间接描述煤岩的 粉碎量特征,相对反映煤岩的破碎块度,为实际工程 的应用及采掘机械的设计研发奠定基础。 1 碟盘刀具破碎煤岩数值模型及参数 为分析碟盘刀具切削煤岩的破碎效果,利用 ABAQUS 有限元软件建立碟盘刀具及切削煤岩有限 元模型图 1,碟盘边缘均布 100 个头部近似球形 的齿形刀如图 1a 所示。 碟盘结构尺寸为直径 R＝ 150 mm,刀头齿尖圆弧 r＝3 mm,碟盘楔面角度 α＝ 45,设置碟盘属性为刚体；煤岩体三维模型尺寸为 长 420 mm、宽 280 mm、高 120 mm,煤岩体设置为 Drucker-Prager 塑性本构模型,设置煤岩体材料属 性为强快模量 E＝1 400 MPa,泊松比 μ＝0.3[7]。 在 ABAQUS 仿真中碟盘的运动形式主要由 2 个部分组 成,分别是在图中 X 轴方向设置径向速度 vj,沿 Y 轴方向设置振动频率 f 和幅值 A。 对刀具和煤岩体都采用六面体 C3D8R 的单元 网格类型,为提高计算精度和减少仿真计算时间,把 煤岩与刀具接触的部分进行区域加密划分,其他部 分疏松化,使得煤岩体单元节点数达到 358 488 个,而被切削部分网格数达到 30 万个左右,如图 1b 所示。 图 1 碟盘刀具破碎煤岩数值模型 Fig.1 Numerical model of broken coal and rock with disc cutter 2 碟盘刀具破碎煤岩数值模拟 为分析碟盘刀具对破碎煤岩载荷的影响,将从 无振动和有振动 2 个方面进行碟盘刀具破碎煤岩的 数值模拟,使刀具的径向速度恒等于 300 mm/ s 及 相同煤岩参数条件下,在切削厚度 h ＝ 1430 mm、 间隔 4 mm 进行碟盘刀具破碎煤岩仿真。 2.1 碟盘刀具径向破碎煤岩数值模拟 2.1.1 径向切削煤岩载荷 在给定仿真条件下,碟盘楔面角度为 45,设置 碟盘频率、幅值及轴向速度为 0,因此碟盘刀具仅有 径向切削运动,得出的仿真载荷谱如图 2 所示。 从图 2 可看出,在仿真过程中不施加轴向振动 的条件下,碟盘刀具仅有径向单作用破碎煤岩时,径 向、轴向及径向与轴向的矢量叠加的载荷呈现出大 091 万方数据 刘春生等碟盘刀具轴向振动破碎煤岩载荷模拟与粉碎量研究2020 年第 1 期 图 2 切削作用载荷谱 Fig.2 Cutting action load spectrum 小交替变化的锯齿状波动,并且载荷变化呈先剧烈 上升随后趋于稳定的变化形式。 从图 2 可看出,随 着切削厚度的增加,径向、轴向及径向与轴向矢量叠 加载荷呈现出逐渐增大的趋势,在没有施加轴向振 动的情况下,轴向载荷只在刚开始接触煤岩时有负 值,此时刀具切削煤岩所受合力向上,因此为负值, 当随着刀具径向位移的增大,碟盘楔面与煤岩的接 触面积逐渐增大,导致刀具承受轴向向下的力逐渐 增大,而刀具齿尖所受的力基本保持不变,因此所受 合力方向向下,此时轴向载荷变为正值。 随着切削 厚度的增加三向载荷都具有逐渐增加的趋势,与切 削厚度成正相关,并且切削厚度越大刀具切削载荷 所达到稳定值的时间越长。 2.1.2 径向切削煤岩的应力云图 楔面角度 45的碟盘刀具在不同切削厚度,单 作用径向切削煤岩时在 XY 平面内的应力分布云图 如图 3 所示。 从图 3 可看出,煤岩体在 XY 平面内 Mises 应力主要集中在刀具的楔面部分和齿尖处,当 切削厚度较小时刀具齿尖的应力作用范围与刀具楔 面应力作用范围相近,随着切削厚度的增加刀具齿 尖对煤岩的应力影响范围缓慢增加,而刀具楔面的 应力影响范围增加趋势明显,由此看出刀具齿尖主 要作用是帮助使刀具更加有利于楔入煤岩,而刀具 的楔面对煤岩起主要破坏作用,刀具破碎煤岩的应 力变化趋势与刀具破碎煤岩的载荷变化趋势相互 对应。 图 3 径向切削 Mises 应力分布 Fig.3 Radial cutting Mises stress distribution 2.2 碟盘刀具振动与切削复合破碎煤岩 2.2.1 振动切削煤岩载荷 在给定的仿真条件下,进行碟盘刀具破碎煤岩 191 万方数据 2020 年第 1 期煤 炭 科 学 技 术第 48 卷 的仿真试验时施加轴向振动,频率为 50 Hz,振动幅 值为 1 mm,所得的刀具在复合作用下破碎煤岩的载 荷谱如图 4 所示。 图 4 振动切削复合破碎煤岩载荷谱 Fig.4 Vibration cutting composite broken coal and rock load spectrum 从图 4 可看出,当对碟盘刀具施加正弦函数周 期性振动时,其径向、轴向及径向与轴向的叠加载荷 谱也呈现出周期性波动变化。 从图 4a 可看出,在同一楔面角度下,随碟盘刀 具切削煤岩厚度的增加,径向载荷有逐渐变大的趋 势,而刀具齿尖对煤岩的作用力不随切削厚度改变 而变化,对不同切削厚度的径向载荷谱与刀具的运 动轨迹对应分析可知,当切削厚度为 14、18 mm 时, 径向载荷谱的波峰极值出现在刀具轴向振动位移的 最低点与 0 点之间,当切削厚度大于 18 mm 时,径 向载荷的波峰极值出现在刀具轴向位移的最高点附 近。 从图 4b 可看出,轴向载荷随切削厚度的增大呈 逐渐增加趋势,并且在0.02 s时刀具轴向载荷的下 峰值不随切削厚度的改变而变化,因为此时刀具齿 尖最先与煤岩接触,当刀具运动时间逐渐增加,刀具 楔面逐渐起主导作用时,轴向载荷下峰值逐渐由负 值转为正值。 从图 4c 可看出,径向与轴向的矢量叠 加载荷随切削厚度的增加呈逐渐增加的趋势,结合 图中运动轨迹可知,当刀具运动至轴向位移曲线最 高点附近时载荷达到上波峰极值。 2.2.2 振动切削煤岩应力云图 碟盘刀具在不同切削厚度下,轴向振动与径向 复合破碎煤岩时在 XY 平面内的应力分布云图如图 5 所示,此时刻的云图选自与刀具单作用切削煤岩 时同一时刻的云图。 从图中可看出随着切削厚度的 增加刀具齿尖与刀具楔面对煤岩的作用力都呈增加 的趋势,与刀具单作用切削煤岩的应力分布具有相 同的规律,但刀具在轴向振动与径向切削煤岩时,刀 具的楔面对煤岩的应力影响范围比单作用径向切削 煤岩应力影响范围要大。 图 5 振动切削 Mises 应力分布 Fig.5 Vibration cutting Mises stress distribution 291 万方数据 刘春生等碟盘刀具轴向振动破碎煤岩载荷模拟与粉碎量研究2020 年第 1 期 3 试验结果分析 3.1 载荷特征值 将碟盘刀具在切削厚度为 1430 mm,进行有 无振动破碎煤岩的数值模拟结果进行分析,对得出 的载荷峰值进行统计时,由于切削不同厚度的煤岩, 碟盘刀具所起作用的时间是不同的,所以统计轴向 载荷上峰值时,按所达到刀具起作用的时间后的载 荷值进行统计。 有无振动条件下仿真载荷见表 1, 其中 Fb、Fd分别表示碟盘刀具无振动与有振动条件 下破碎煤岩的载荷下标 j、z 和 H 分别表示径向、轴 向及径向与轴向的矢量叠加方向,下标 M、p 分别表 示载荷的极大值及上峰值的均值。 表 1 不同切削厚度仿真载荷极值及上峰值均值 Table 1 Simulation load extremum and upper peak value of different cutting thickness h/ mm 径向/ kN FbjMFbjpFdjMFdjp 轴向/ kN FbzMFbzpFdzMFdzp 径向与轴向的矢量叠加/ kN FbHMFbHpFdHMFdHp 1432.130.629.727.615.414.420.719.535.434.333.532.4 1840.838.034.834.126.424.232.229.848.544.245.943.8 2245.044.044.542.136.032.946.244.257.155.062.858.7 2654.953.252.449.546.445.555.955.371.769.675.369.8 3063.661.364.256.956.555.071.671.584.981.696.082.2 由表 1 可知,无振动条件下碟盘刀具破碎煤岩 的径向载荷的峰值极大值与上峰值均值比有振动条 件下的分别大 6.2％和 8.4％,而其轴向载荷的峰值 极大值与上峰值均值比有振动条件下的分别小 17.1％和 22.3％,当切削厚度为 14 和 18 mm 时,无 振动条件下所得的径向与轴向的矢量叠加载荷的峰 值极大值与其均值比有振动条件下的大,当切削厚 度为 2230 mm 时无振动条件下所得的径向与轴向 的矢量叠加载荷的峰值极大值与其均值比有振动条 件下的小。 根据表 1 绘制出不同切削厚度下无振动与有振 动载荷的峰值极大值与上峰值均值拟合曲线,如图 6 所示。 从图 6 可看出,碟盘刀具在有无振动的条件下 破碎煤岩的径向、轴向及径向与轴向的矢量叠加载 荷的上峰值极大值与其均值,随切削厚度的增加具 有线性增加的趋势。 从图 6a 可看出,无振动条件下 径向载荷的峰值极大值与有振动的随切削厚度的增 加逐渐接近,而 2 种条件下峰值的均值差基本保持 不变。 从图 6b 可看出,随切削厚度的增加,2 种条 件下轴向载荷的上峰值极大值及其均值的差有变大 趋势。 从图 6c 可看出,在 1418 mm 之间无振动条 件下所统计的径向与轴向的矢量叠加载荷上峰值极 大值与其均值比有振动的大,当切削厚度大于 18 mm 时,无振动条件下所统计的径向与轴向的矢量 叠加载荷上峰值极大值与其均值比有振动的小。 3.2 载荷曲线粉碎量分形特征 载荷谱不仅反映煤岩破碎过程中产生载荷的大 小,而且结合分形理论对载荷曲线进行分析,也能反 映煤岩破碎过程中粉尘量的多少,其与横坐标时间 图 6 数值模拟载荷峰值极大值及均值拟合曲线 Fig.6 Numerical simulation of load peak maximum value and mean fitting curves 391 万方数据 2020 年第 1 期煤 炭 科 学 技 术第 48 卷 轴所围成的面积代表着刀具破碎煤岩过程中所消耗 的能量[17-19],分形面积可用式1计算 Sε ＝∫ t 0NLε 2dt 1 式中NL为分形盒子数；ε 为盒子边长 为有效描述轴向振动对碟盘刀具破碎煤岩时粉 碎程度特征的影响,利用分形特征参数间接描述煤 岩粉碎量,给出煤岩块度的相对特征,利用 MAN- DELBROT B[20]提出的闭合曲线周长与其围成面积 的关系式进行描述,见式2。 Rε ＝ L ε 1 Db S ε 1 2 ＝ NLε 1-Db Db εt 2 式中Rε 为比例系数；Lε 为曲线分形长度, Lε＝ NLε；Db为盒维数。 文献[18]中指出,比例系数 Rε 可作为评价 载荷谱轮廓特征以及截割煤岩过程产生小块分离和 煤岩粉碎量等的指标,当 Rε 越大时,在煤岩破碎 过程中粉碎量越大,当 Rε 越小时,在煤岩破碎过 程中粉碎量越小。 对文中碟盘刀具载荷曲线进行封 闭处理,则式2可写成 Rε ＝ 2Lε[] 1 Db 2Sε[] 1 2 ＝ NLε 1-Db Db εt 2 2-Db 2Db 3 根据式3对有无轴向振动条件下碟盘刀具在 楔面角度为 45、切削厚度 1430 mm 下的载荷曲 线进行比例系数 Rε计算及大小对比。 其 2 种条 件下的结果见表 2。 表 2 不同切削厚度径向载荷分形比例系数 Table 2 Fractal proportional coefficient of radial load with different cutting thickness 切削厚度/ mm振动切削比例系数切削比例系数 14 18 22 26 30 513.5 306.2 157.4 110.8 80.1 630.3 512.9 132.0 148.4 96.5 从表 2 可看出,随着切削厚度的增加碟盘刀具 在有无轴向振动的条件下,径向载荷谱的比例系数 均呈现出减小的趋势,说明适当地增加刀具破碎煤 岩厚度,有利于减少其粉碎量,增加煤岩的破碎块 度,并且从表 2 数据可知,改变刀具破碎煤岩的厚度 时,不施加轴向振动的径向载荷比例系数比有振动 的大20.5％67.5％,由此可知,在同一楔面角度下, 碟盘刀具有轴向振动的破碎方式相比无振动,更有 利于大块煤岩的剥落,且产生较少的煤岩粉碎量,减 少无用功。 4 结 论 1碟盘刀具在有无振动条件下的数值模拟可 知,随切削厚度的增加,径向、轴向及径向与轴向的 矢量叠加载荷都具有逐渐增加的趋势,且刀具破碎 煤岩的 Mises 应力云图的影响范围也呈现出逐渐增 加的趋势。 2切削厚度改变时,无振动条件下碟盘刀具切 削煤岩的径向载荷的峰值极大值与上峰值均值比有 振动条件下的分别大 6.2％和 8.4％。 3对有无轴向振动条件下刀具破碎煤岩得出 的径向载荷谱计算分形比例系数可知,碟盘刀具在 径向切削煤岩时比例系数比振动切削破碎煤岩的分 别大 20.5％67.5％,由此可知有轴向振动破碎煤岩 时有利于大块崩落,比无轴向振动的情况所产生的 煤岩粉碎量少,减少无用功。 4通过以上对碟盘刀具振动对切削厚度的影 响可知,振动切削的工作方式更加有利于煤岩的破 碎以及增加煤岩的块度,减少切削过程中产生的粉 尘,本研究可为实际工程应用,解决实际问题提供 参考。 参考文献References [1] HURT K G, MACANDREW K M.Cutting efficiency and life of rock-cutting picks[J].Mining Science and Technology,19852 139-151. 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