夹矸煤层条件下螺旋叶片磨损失效数值模拟研究.pdf

第4 4 卷第1 1 期 2 0 1 9 年1 1 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 4 N o v ． N o ．1 1 2 0 1 9 移动阅读 赵丽娟，赵宇迪，金鑫，等．夹矸煤层条件下螺旋叶片磨损失效数值模拟研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 1 9 ，4 4 1 1 3 5 8 9 3 5 9 5 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 8 ．1 5 6 7 Z H A OL i j u a n ，Z H A OY u d i ，J I NX i n ，e ta 1 ．N u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo nw e a rf a i l u r eo fh e l i c a lb l a d ei nc o a ls e a m w i t hd i r tb a n d [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 1 9 ，4 4 1 1 3 5 8 9 - 3 5 9 5 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．2 0 1 8 ．1 5 6 7 夹矸煤层条件下螺旋叶片磨损失效数值模拟研究 赵丽娟，赵宇迪，金鑫，王岩 辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 摘要以M G 4 0 0 ／9 5 1 一W D 新型采煤机螺旋滚筒为工程对象，利用P r o ／E n g i n e e r 分别建立螺旋滚 筒与含夹矸煤岩的三维实体模型，并将耦合模型导入到A N S Y S 软件中进行相关的前处理设置。分 别设置齿尖合金头、齿体、筒毂和螺旋叶片的密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度等材料属 性；以杨村煤矿含夹矸煤层为取样对象，通过试验分别测得了煤和夹矸的密度、弹性模量、泊松比、 黏聚力、内摩擦角、抗拉强度和坚固性系数等物理、力学性质，完成对耦合模型材料属性的设置。分 别定义含夹矸煤岩和螺旋叶片的本构模型为0 9 6 一B R I T Y L E D A M A G E 和0 0 3 一P L A S T I C K I N E M A T ． I C ，通过关键字A D D E R O S I O N 分别对含夹矸煤岩与螺旋叶片定义失效，用以表征煤颗粒被截落与 螺旋叶片的磨损；基于实际工况，定义采煤机牵引速度为8m ／m i n ，螺旋滚筒转速为6 0r ／m i n 的初 始运动状态，通过关键字D A T A B A S E R C F O R C 设置求解结果的输出，将最终的K 文件导入L S D Y N A ／S O L V E R 求解器进行求解。通过显示动力学仿真求解得到了螺旋叶片的磨损域、应力云图、 工作载荷谱及总磨损体积等，结果表明螺旋叶片的磨损主要集中在叶片的尾端及外缘部分，且叶 片尾端磨损最为严重，这与实际工况下叶片的磨损情况相一致。这主要是由于堆积于叶片尾端的 煤堆在被叶片推挤时，会产生较大的摩擦力，磨屑脱落产生犁沟状磨损带；同时螺旋滚筒截割过程 中产生的非线性冲击载荷会使其产生较大的振动，导致齿座下端的叶片外缘部分与含夹矸煤岩发 生接触，造成部分附加磨损。提取不同时刻螺旋叶片的磨损体积并利用M a t l a b 软件拟合得到了螺 旋叶片磨损体积的变化趋势，发现螺旋叶片的磨损量随工作时间逐渐增大，但磨损速率随工作时间 逐渐减小，这主要是磨损表面微观轮廓不断变化引起的，与不同时刻磨损域的扩展情况相一致。利 用M a t l a b 软件对螺旋叶片的磨损轨迹进行拟合，获得了螺旋叶片的磨损轨迹方程。 关键词螺旋叶片；磨损；L S - D Y N A ；轨迹拟合；数值模拟 中图分类号T D 4 2 1 ．6文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 1 9 1 l - 3 5 8 9 - 0 7 N u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo nw e a rf a i l u r eo fh e l i c a lb l a d ei nc o a l s e a mw i t hd i r tb a n d Z H A OL i j u a n ，Z H A OY u d i ，J I NX i n ，W A N GY a n S c h o o lo fM e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n l2 3 0 0 0 ．C h i n a A b s t r a c t I nt e r m so ft h es p i r a ld r u mo fn e wM G 4 0 0 ／9 51 ．W Ds h e a r e r ，t h e3De n t i t ym o d e l sw e r ee s t a b l i s h e df o rt h e s p i r a ld r u ma n dc o a lr o c kw i t hd i r tb a n du s i n gt h eP r o ／E n g i n e e r ．T h e nt h ec o u p l i n gm o d e lw a si m p o r t e di n t oA N S Y S s o f t w a r ef o rp r e p r o c e s s i n g ．M a t e r i a lp r o p e r t i e ss u c ha sd e n s i t y ，e l a s t i cm o d u l u s ，P o i s s o n ’Sr a t i o ，C O B - p r e s s i v es t r e n g t h a n dt e n s i l es t r e n g t ho ft h et o o t ht i p a l l o yh e a d ，t h em a t r i x ，t h eh u ba n dt h eh e l i c a lb l a d ew e r es e tr e s p e c t i v e l y ．T h e 收稿日期2 0 1 8 一l 卜2 6 修回日期2 0 1 9 0 4 - 0 6责任编辑郭晓炜 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 6 7 4 1 3 4 ；辽宁省教育厅重点资助项目 L J 2 0 1 7 Z L 0 0 1 ；辽宁省自然科学基金资助项目 2 0 1 7 0 5 4 0 4 2 0 作者简介赵丽娟 1 9 6 4 一 ，女，辽宁阜新人，教授。E m a i [ z z z 2 1 2 0 1 2 6 ．C O I l l 通讯作者赵宇迪 1 9 9 4 一 ，男，辽宁沈阳人，硕士研究生，．E - m a i l 7 7 6 9 4 2 5 8 l q q ．c o r n 万方数据 3 5 9 0 煤炭学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 p h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e ss u c ha sd e n s i t y ，e l a s t i cm o d u l u s ，P o i s s o n ’Sr a t i o ，c o h e s i o n ，i n t e r n a lf r i c t i o na n g l e ， t e n s i l es t r e n g t ha n dP r o t o d y a k o n o v ’Sc o e f f i c i e n to fc o a la n dd i r ts a n dw e r em e a s u r e db ye x p e r i m e n t so nt h ec o a ls e a m w i t hd i r tb a n di nt h eY a n g c u nc o a lm i n e ．s oa st os e tt h em a t e r i a lp r o p e r t i e so fc o u p l i n gm o d e l s ．C o n s t i t u t i v em o d e l so f t h ec o a lr o c kw i t hd i r tb a n da n dt h eh e l i c a lb l a d ew e r ed e f i n e da s0 9 6 一B R I T Y L E D A M A G Ea n d0 0 3 一P L A S 汀I C K I N E M A T I C ，r e s p e c t i v e l y ．T h ei n t e r c e p t i o no fc o a lp a r t i c l e sa n dt h ew e a ro ft h eh e l i c a lb l a d ew e r ec h a r a c t e r i z e dt h r o u g h d e f i n i n gt h ef a i l u r eo ft h ec o a lr o c kw i t hd i r tb a n da n dt h eh e l i c a lb l a d ew i t hA D D E R O S I O N ．B a s e do nt h ea c t u a l w o r k i n gc o n d i t i o n s ，t h ei n i t i a lm o v e m e n ts t a t eo ft h es h e a r e rw a sd e f i n e da ta8m ／m i no fs h e a r e ra d v a n c e ds p e e da n d a6 0r ／m i no fs h e a r e rd r u mr o t a t i o ns p e e d ．T h eo u t p u to ft h es o l u t i o nw a ss e tw i t hD A T A B A S E R C F O R C ，a n dt h ef i n a l Kf i l ew a si m p o r t e di n t oL S - D Y N A ／S O L V E Rf o ras o l u t i o n ．T h ew e a rd o m a i n ，t h es t r e s sn e p h o g r a m ，t h ew o r k i n gl o a d s p e c t r u ma n dt o t a lw e a rv o l u m eo ft h eh e l i c a lb l a d ew e r eo b t a i n e dt h r o u g he x h i b i t i n gt h ed y n a m i c ss i m u l a t i o nf o ras o - l u t i o n ，s h o w i n gt h a tt h ew e a ro ft h eh e l i c a lb l a d ew a sf o u n da tt h et a i le n da n dt h e o u t e re d g eo ft h eb l a d e ．T h em o s t s e v e r ew e a rw a sa tt h et a i le n do ft h eb l a d e ，b e i n gc o n s i s t e n tw i t ht h ew e a ro ft h eb l a d ei nt h ea c t u a lc o n d i t i o n ．I t ’S b e c a u s eaf u r r o ww e a rl a n dw o u l db ec a u s e db yw e a rd e b r i sf a l l i n go f fd u et ol a r g ef r i c t i o nr e s u l t e df r o mt h ec o a lp i l e s t a c k i n ga tt h et a i le n do ft h eb l a d eb e i n gp u s h e db yt h eb l a d e ．M o r e o v e r ，n o n l i n e a ri m p a c tl o a d sg e n e r a t e di nt h ec u t - t i n gp r o c e s so ft h eh e l i c a ld r u mw o u l dl e a dt ol a r g ev i b r a t i o n ，w h i c hb r o u g h ta b o u tt h eo u t e re d g eo ft h eb l a d ea tt h e l o w e re n do ft h et o o t hh o l d e rb e i n gc o n t a c tw i t ht h ec o a lr o c kw i t hd i r tb a n d ，f o r m i n ga d d i t i o n a lw e a r s ．V a r i a t i o nt r e n d s o ft h ew e a rv o l u m eo ft h eh e l i c a lb l a d ew e r eo b t a i n e dw i t hM a t l a ba f t e re x t r a c t i n gt h ew e a rv o l u m eo ft h eh e l i c a lb l a d e a td i f f e r e n tt i m e s ，w h i c hf o u n dt h a tt h ew e a ro ft h eh e l i c a lb l a d ew a si n c r e a s e dw i t ht h ew o r k i n gt i m e ，w h i l et h ew e a r r a t ed e c r e a s e dw i t ht h ew o r k i n gt i m e ．I t ’Sc a u s e db yc o n s t a n tc h a n g e si nt h em i c r o s c o p i cp r o f i l eo ft h ew e a rs u r f a c e ， w h i c hw a sc o n s i s t e n tw i t ht h ee x p a n d i n gw e a rd o m a i na td i f f e r e n tt i m e s ．T h ew e a rt r a c ko ft h eh e l i c a lb l a d ew a s m a t c h e dw i t hM a t l a bt oo b t a i nt h ew e a rt r a c ke q u a t i o no ft h eh e l i c a lb l a d e ． K e yw o r d s h e l i c a lb l a d e ；w e a r ；L S D Y N A ；t r a j e c t o r yf i t t i n g ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 采煤机螺旋叶片主要承担着装煤任务，复杂的煤 层赋存条件和非线性冲击载荷会造成其磨损加剧甚 至失效，直接影响采煤机的工作效率和生产成本。随 着数值模拟技术的不断发展，国内外学者围绕螺旋滚 筒的磨损问题及其修复优化展开了诸多研究。针对 螺旋滚筒磨损问题J O H NPL o u i 等研究了摩擦力和 切削速度对镐形截齿磨损失效的影响，所得结果与实 验观测值一致⋯；D O G R U O ZC i h a n 等通过全方位的 切削实验及数学统计分析方法获得了截齿磨钝条件 下截割比能耗与截齿种类、磨损情况及煤层物理性质 之间的函数关系心1 ；J A K U BG a j e w s k i 等分别利用未 磨损和磨损的镐形截齿与刀形截齿以及一种新型锋 利截齿进行试验研究，得到其截割功率和扭矩的变化 曲线，并通过人工神经网络对截齿磨损情况进行预 测’；在螺旋滚筒修复优化方面牛东民分析了螺旋 叶片磨损的主要原因，提出了叶片结构参数的改进方 案H 1 ；陈颢等采用等离子束表面冶金技术，对截齿易 磨损部位制备了铁基复合涂层，提高了截齿的耐磨 性Ho ；刘晓辉构建了煤岩截割试验台，研究了截齿排 列方式、结构参数及安装角度对截齿磨损的影响∞1 。 综上所述，前人对螺旋滚筒截齿磨损的研究已经较为 深入，但对于螺旋叶片的磨损仅进行了定性的分析， 缺少应用数值模拟技术的定量分析。 应用数值模拟技术对螺旋叶片磨损问题进行研 究，可有针对性地优化螺旋滚筒的结构，降低生产成 本；同时拟合得到的螺旋叶片磨损轨迹方程为激光增 材修复提供依据。 1 理论背景 1 ．1 螺旋叶片力学模型 煤岩颗粒在装载过程中相互间的作用关系十分 复杂，为了简化力学模型，对单一煤颗粒进行受力分 析如图l 所示[ 7 ] ，其中，F 为等效摩擦力，N ；凡为滚筒 转速，r ／m i n 。 煤颗粒平衡方程为 I P 『2 Ⅳa s 呱t ， 矗删叩 1 【P 。 N 。 C O Sa 叩一f s i n 仅。．p 、’ 式中，P ，为落煤切向力，N ；P ，为轴向抛煤力，N ；N 。 为抛煤时螺旋叶片对煤颗粒的正压力，N ；f 为螺旋叶 片与煤颗粒的摩擦因数；a 。为叶片螺旋升角， 。 。 由落煤切向力与煤颗粒切向分速度求得装煤功 率为 ”出塑焉竽 2 万方数据 第1 1 期赵丽娟等夹矸煤层条件下螺旋叶片磨损失效数值模拟研究 3 5 9 1 图l 煤颗粒受力分析 F i g ．1 S t r e s sa n a l y s i so fc o a lp a r t i c l e 式中，Ⅳ。为装煤功率，k W ；％为煤颗粒切向分速 度，m ／r a i n 。 装煤功率一1 还可表示为 N ，旦 鳖垦 3 ， 业 3 式中，秽。为牵引速度，m ／s ；秽i 为截齿截割线速度，n ∥ S ；K z 为装煤阻力系数，有挡煤板时K 3 5 0 ，无挡煤 板时K z 10 0 0 ，N ／c m 。 由式 2 ， 3 联立可求得 Ⅳ 业 咝． 4 帆2 而i 嘉萧‘4 ’ 1 ．2 螺旋叶片磨损机理 煤颗粒在装运过程中对螺旋叶片产生的磨损属 于磨粒磨损类型，根据磨粒磨损的微量切削机理，螺 旋叶片的磨损主要是由于煤颗粒在叶片表面发生微 观切削作用，当法向载荷将煤颗粒压人叶片表面，在 相对滑动时摩擦力通过煤颗粒的微观切削对叶片表 面产生犁刨作用，因而产生槽状磨痕。煤颗粒微观切 削模型如图2 所示。 图2 煤颗粒微观切削模型 F i g ．2 M i c r oc u t t i n gm o d e lf o rc o a lp a r t i c l e s 由图2 可知，摩擦副由叶片及煤颗粒构成，煤颗 粒微凸体顶部呈圆锥形，半角为0 ，煤颗粒顶部穿入 叶片表面深度为h ，磨粒底面圆半径为r 。发生相对 滑动时，法向载荷Ⅳ，只由前方半接触面积支承，因此 旮9 。 N ， 1 T r 2 盯。 5 当煤颗粒移动d f 时，去掉材料的体积是d V ． 以d f ，则 h r c o t0 d Y ． r 2 d ／c o t0 6 式中，f 为单位磨损距离，m m 。 所以一个微凸体滑动一个单位距离所产生的磨 损体积为 尝r 2 c o to 7 百2 廿 L ／ 由式 5 与式 7 联立得 一d V l 旦c 。t9 8 d l1 T 盯⋯。 、7 假定Ⅳ，是稳定的，可得磨损距离为L 的总磨损 体积为 y ∑㈢d V l 严／ 石N L c o t9 9 令K 塑业，代入式 9 得 y 丝fl o 盯s 式中，V 为总磨损体积，m m 3 ；Ⅳ为法向正压力，N ；L 为 滑动磨损距离，m m ；0 为煤颗粒圆锥半角， 。 ；盯。为 抗压屈服强度，M P a ；K 为磨粒磨损系数。 2 有限元模型构建及仿真结果分析 2 ．1 有限元模型构建 以M G 4 0 0 ／9 51 - W D 新型采煤机螺旋滚筒为工程 对象，利用P r o ／E n g i n e e r 分别建立螺旋滚筒与夹矸煤 层的三维实体模型，并对模型进行全局干涉检查，将 装配好的模型导入A N S Y S 进行前处理⋯。设定单 元类型为8 节点S O L I D l 6 4 单元，并对螺旋滚筒的材 料属性进行定义见表1 。 表1 螺旋滚筒材料属性 T a b l e1M a t e r i a lp r o p e r t i e so fs p i r a ld r u m 万方数据 3 5 9 2 煤炭 学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 以兖州煤业股份有限公司杨村矿1 7 层煤岩试样 为研究对象，如图3 所示，所测物理力学性质见表2 。 图3 夹矸煤岩试样 F i g ．3S a m p l eo fc o a ls e a mw i t hg a n g u e 表2 夹矸煤岩物理力学性质 T a b l e2M a t e r i a lp r o p e r t i e so fg a n g u ec o a ls e a m 为了更好地描述螺旋叶片的磨损失效，叶片网格 采用扫略的划分方式，同时为了缩短仿真时间，螺旋 滚筒其他部分的网格采用四面体智能划分。导出K 文件到L S - D Y N A 中进一步设置，如图4 所示。 图4 初始K 文件模型 F i g ．4 I n i t i a lKf i l em o d e l 在L S - D Y N A 中设置螺旋滚筒与夹矸煤岩的接 触类型为面面侵蚀接触。1 川；定义夹矸煤岩的边界条 件为无反射边界条件，消除应力波到达边界时的反射 现象；定义夹矸煤岩的材料模型为0 9 6 一B R I T Y L E D A M A G E l J 23 ，通过材料关键字中的A D D E R O S I O N 与P L A S T I C K I N E M A T I C 分别对夹矸煤岩与螺旋叶 片定义失效，用以表征煤颗粒被截落与螺旋叶片的磨 损失效3 | ；通过关键字术D E F I N E C U R V E 定义螺旋 滚筒初始运动状态曲线，并通过水B O U N D A R Y P R E - S C R I B E D M O T I O N R I G I D 施加到筒毂，基于实际工况定义牵引速度 为8m ／m i n 、滚筒转速为6 0r ／m i n 驱动螺旋滚筒；设 置求解时间为4S ，通过关键字木D A T A B A S E R C F O R C 添加螺旋叶片接触力二进制文件的输出4 | ； 将最终的K 文件导入L S - D Y N A ／S O L V E R 求解器进 行求解。 2 ．2 仿真结果分析 螺旋滚筒截割夹矸煤岩的数值模拟结果如图5 所示。利用L S - P R E P O S T 4 ．2 后处理软件对求解结 果进行查看。 I ．．．．●◆● 卜l 图5 数值模拟结果 F i g ．5F i g u r eo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s 为便于观察，将夹矸煤岩层进行隐藏，获得螺旋 叶片磨损的数值模拟结果如图6 所示。 图6 螺旋叶片磨损 F i g ．6 H e l i c a lb l a d eW O ／q 3 由仿真结果及图6 可知，螺旋叶片尾端磨损较为 严重，磨屑单元脱落产生磨痕，同时叶片外缘也有轻 微磨损，这与现场工况下螺旋叶片磨损情况相吻合， 如图7 所示，验证了仿真结果的可靠性。 螺旋叶片应力最大值时云图如图8 所示。其中 最大的应力单元1 2 0 3 4 0 6 应力值为l0 1 4M P a ，周围 还存在一条应力值大于叶片抗压屈服强度 7 6 6 ．6 7M P a 的高应力带，磨屑脱落产生犁沟状磨 损带5 I 。这主要是由于螺旋叶片在装煤的过程中， 一部分煤流经叶片的装运堆积于叶片尾端与运输机 溜槽之问形成煤堆，煤堆中的较大煤颗粒及硬夹矸需 要被叶片推挤从而获得一定的流动性方能被顺利排 如 “ 加 ∞ m “ 3 2 2 ● ● O O ■■■■■■■■■■● 万方数据 第11 期赵丽娟等夹矸煤层条件下螺旋叶片磨损失效数值模拟研究 3 5 9 3 图7 螺旋叶片磨损 现场工况 F j g ．7 H e l i c a lb l a d ew o r n F i e h tw o r k i n gc o n d i t i o n 1 ．0 1 40 0 ．9 1 31 O ．8 1 17 0 ．7 1 03 0 ．6 0 89 0 ．5 0 76 0 ．4 0 62 0 ．3 0 48 02 0 34 0 ．1 0 2O 0 ．0 0 06 例8 螺旋叶片应／J 五图 i g ．8 H e l i t ‘a lb l a d e lH m l s sn e p h I 9 1 1 } 1 1 1 1 出，叶片受到较大的外部载荷，摩擦力增大，超过叶片 表面材料的抗压屈服强度，导致叶片尾端磨损最为严 重。 通过L S P R E P O S T 4 ．2 导出螺旋叶片接触力 R C F O R C 二进制文件6 | ，获得螺旋叶片工作载荷谱 及磨损最大处振动节点位移曲线如图9 ，1 0 所示。 3 0 Z ≤ R2 0 疆 蝼 1 0 O 图9 螺旋叶片工作载荷谱 F i g ．9W o r k i n gl o a ds p e c t r u mo fh e l i c a lb l a d e 由图9 可知，螺旋滚筒在截割赋存条件复杂的煤 层时，螺旋叶片持续承受动态变化的载荷冲击的影 响。由图1 0 可知，磨损最大处振动测点X ，y 方向存 在着波动的节点位移，其中X 向位移在0 ．5m m 内 波动，l ，向位移则由一0 ．5m m 逐步增大且大于x 向振 幅，反映出叶片承受着较大的螺旋滚筒破煤时产生的 1 5 唇 1 _ O { 登吣 弘 0 O ．5 23 时间／s I 到1 0m 囊位移m 线 } 1 i g ．10 N o d a ld i s p l ￡l ‘t l l l l e l i I 。⋯、P s 振动影响，导致齿座下端的叶片外缘部分与夹矸煤岩 发生接触，产生部分附加磨损。通过L s P R E P O S T 4 ．2 T o g g l e d e l e t e de l e m e n t s 选项可将螺旋 叶片磨损失效的单元重新显示以获得仿真时间内叶 片磨损体积的变化 表3 ，通过M a t l a b 软件对仿真数 据进行拟合获得螺旋叶片磨损体积随时间变化的趋 势如图1 1 所示。 表3 螺旋叶片磨损体积 T a b l e3H e l i c a Ib l a d ew o r nv o l u m e 时刻／s 磨损体积／1 0 。3m m 3 2 ．7 4 6 ．0 8 8 ．0 4 9 ．2 3 l O ．8 0 1 1 ．4 0 1 1 ．8 0 I ．2 l 置 吕 器 捡 骚 _ [ 1 | } 止 古 蝗 髫 图ll螺旋叶片磨损体积随时问变化趋势 F i g ．11 T r e n do fw e a ra b r a s i o no fh e l i c a lb l a d ew i t ht i m e 由表3 和图1 1 可知，螺旋叶片的磨损量随工作 时间逐渐增大，但磨损速率却随工作时间逐渐减小。 这是由于在磨损初期，法向载荷比较小，煤岩颗粒与 螺旋叶片的实际接触面积较小，夹矸煤内部的矸石等 尖锐、锋利的棱角与螺旋叶片表层金属直接接触，微 观切削作用效果明显，磨损增速剧烈；随着螺旋叶片 5 O 5 0 5 O 5 O O l ● 2 2 3 3 4 万方数据 3 5 9 4 煤炭 学报 2 0 1 9 年第4 4 卷 表面不断被磨损，其微观轮廓趋于平整，与煤岩颗粒 之间接触较为紧密，微观切削相对速度较慢，磨损速 率逐渐降低。观察不同时刻螺旋叶片磨损域的扩展 情况如图1 2 所示，由图1 2 可知，1 2S 时刻叶片磨 损域变化较为明显，之后虽然磨损域也逐步扩展，但 扩展速度相较之前放缓，这与磨损速率变化情况相一 致。 oo a Is 时刻 b 2s h e l l oo C 3s H J 刻 d 4s i C , j - 划 图1 2 螺旋叶片磨损域扩展 F i g ．12E x p a n s i o nc h a ao fw o r nz o n eo fh e l i c a lb l a d e 3 螺旋叶片磨损轨迹分析 螺旋叶片因制造工艺复杂且通过焊接手段进行 装配，一旦发生磨损失效，更换整个螺旋叶片不但费 时费力而且会造成大量材料的浪费。利用激光增材 技术可对磨损的螺旋叶片进行快速、精准的修复，这 就需要获得螺旋叶片磨损的轨迹信息Ⅲo 。 以磨损最为严重的螺旋叶片尾端为研究对象，其 犁沟状磨损带近似一条空问曲线，方便磨损轨迹的获 取。利用L S - P R E P O S T 4 ．2 后处理软件获得以筒毂 底面圆心为坐标原点的磨损失效单元空间坐标值见 表4 。 表4 磨损失效单元空间坐标值 T a b l e4 S p a t i a lc o o r d i n a t e so fa b r a s i o nf a i l u r ee l e m e n t s m m 在空间坐标系下利用M a t l a b 软件对表4 磨损失 效单元空间坐标值进行拟合，得到叶片尾端的磨损失 效单元所对应的磨损轨迹如图1 3 所示，可见其近似 为一条空间曲线，该磨损轨迹方程为 Z 一7 5 ．9 4 14 x 2 10 4 3 ．9 5 5 y 2 5 6 3 ．1 5 77 x y 26 6 2 ．6 5 11 戈一98 8 4 ．4 5 87 y 一2 25 0 7 ．4 2 45 ，1 7 4 ≤z ≤2 2 5 { 4 2 ．1 ≤Y ≤5 6 【4 9 4 ≤三≤4 6 7 ．7 4 9 5 4 9 0 4 8 5 4 8 0 4 7 5 4 7 0 4 6 5 6 0 图1 3 螺旋叶片磨损轨迹曲线 F i g ．13 H e l i c a lb l a d ea b r a s i o nt r a j e c t o r yc u r v e 螺旋叶片尾端磨损轨迹方程可与激光扫描仪所 测磨损点云数据进行对比，为激光熔覆过程中行走轨 迹的设定提供参考，最终通过逐层堆积的方式对叶片 尾端的犁沟状磨损带进行增材修复。18 I 。 4 结论 1 螺旋叶片尾端磨损最为严重，同时叶片外缘 也存在一定程度的磨损。结合螺旋叶片应力云图和 载荷谱可知煤堆对叶片的挤压作用造成叶片尾端的 磨损失效；冲击载荷引起叶片与夹矸煤岩接触造成叶 片外缘磨损失效。 2 通过M a t l a b 软件对不同时刻螺旋叶片磨损 失效体积进行数据处理，结果表明螺旋叶片的磨损量 随工作时间逐渐增大，但磨损速率随着仿真时间的增 加而逐渐放缓。结合磨粒磨损机理可知随着磨损过 程的逐步累积，叶片表面趋于平整，微观切削作用减 弱导致磨损速率逐渐放缓。 3 获得了螺旋叶片尾端磨损的轨迹方程，可与 实测点云数据进行对比，为激光熔覆过程中行走轨迹 的规划提供参考。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]J O H NPL o u i ，K A R A N A MUMR a o ．H e a tt r a n s f e rs i m u l a t i o ni n d r a g - p i c kc u t t i n go fr o c k s [ J ] ．T u n n e l l i n ga n dU n d e r g r o u n dS p a c e T e c h n o l o g yI n c o r p o r a t i n gT r e n c h l e s sT e c h n o l o g yR e s e a r c h ，2 0 0 4 ， 2 0 3 2 6 3 2 7 0 ． [ 2 ] D O G R U O ZC i h a n ，B O L U K B A S IN a c i ．E f f e c to fc u t t i n gt o o lb l u n t i n g 万方数据 第1 1 期 赵丽娟等夹矸煤层条件下螺旋叶片磨损失效数值模拟研究 3 5 9 5 [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 0 ] o nt h ep e r f o r m a n c e so fv a r i o u sm e c h a n i c a le x c a v a t o r su s e di nl o w a n dm e d i u m - s t r e n g t hr o c k s [ J ] ．B u l l e t i no f E n g i n e e r i n gG e o l o g y a n dt h eE n v i r o n m e n t ，2 0 1 3 ，7 3 3 卜9 ． J A K U BG a j e w s k i ，J O Z E FJ o n a ．T o w a r d st h ei d e n t i f i c a t i o no fw o r n p i c k so nc u t t e r d r u m sb a s e do nt o r q u ea n dp o w e rs i g n a l su s i n ga r t i f i - c i a ln e u r a ln e t w o r k s [ J ] ．T u n n e l l i n ga n d