張 鑫，李 旭，高魁東，逯振國，曾慶良

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

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截齒截割過程中應(yīng)力疊加效果對截割載荷的影響

張 鑫，李 旭，高魁東，逯振國，曾慶良

(山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

為了優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)截割頭上截齒排布,進(jìn)一步提高巷道掘進(jìn)效率,研究了截割應(yīng)力疊加作用下的截割載荷變化規(guī)律.使用動力學(xué)仿真軟件LS-DYNA建立了相鄰兩截齒截割數(shù)值仿真模型,利用HJC混凝土模型模擬巖石材料,分析了截齒以不同截齒間距破巖時的應(yīng)力分布及截割力變化規(guī)律.結(jié)果表明:隨著截齒間距的增加,截齒作用下的應(yīng)力疊加區(qū)域不斷減小,進(jìn)給阻力平均峰值不斷增大;當(dāng)截齒間距過大時,應(yīng)力疊加現(xiàn)象消失,截齒的應(yīng)力影響區(qū)相互獨(dú)立,進(jìn)給阻力平均峰值達(dá)到最大且基本保持不變.

截齒; 掘進(jìn)機(jī); 有限元分析

隨著煤炭開采效率的提升,煤礦對巷道掘進(jìn)速度的要求不斷提高.掘進(jìn)機(jī)是巷道掘進(jìn)機(jī)械化作業(yè)的重要機(jī)械[1],截割頭旋轉(zhuǎn)帶動截齒沖擊巖壁以實(shí)現(xiàn)對巖石的破碎.眾多學(xué)者對于截齒截割破巖過程做了大量研究,王崢榮等[2]利用有限元仿真分析,對比不同安裝角度時截割效率的變化規(guī)律,確定最優(yōu)安裝角度.張艷林等[3]對掘進(jìn)機(jī)單個截齒的破巖過程進(jìn)行仿真研究,對比不同條件下的截齒受力與載荷波動,得到了截割力與截割角及截割速度的關(guān)系.張夢奇[4]建立了具有不同螺旋線數(shù)及螺旋升角的截割頭模型,分析轉(zhuǎn)動系數(shù)、截割牽引力等參數(shù),發(fā)現(xiàn)3頭螺旋線截割頭適應(yīng)性強(qiáng),截割性能最佳.周游等[5]完成鎬形截齒的旋轉(zhuǎn)截割煤巖仿真,研究單個截齒截深與比能耗的關(guān)系以及截割阻力在不同切削角時的差異,得出截割力最小的截深與切削角.史德強(qiáng)等[6]統(tǒng)計(jì)了掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)時的巖石抗壓強(qiáng)度和掘進(jìn)速度,利用線性回歸分析,確定了合理的截割煤巖速度大小.現(xiàn)有的研究大多是以單個截齒的截割深度、侵入角度、齒尖錐角等作為研究對象進(jìn)行巖石破碎研究,對截齒在截割頭上的排布參數(shù)(如螺線角度、安裝角度等)進(jìn)行分析,少有文獻(xiàn)涉及多截齒截割過程中截割載荷研究.因此,為進(jìn)一步優(yōu)化截齒在截割頭上的排列,提高巖石破碎效率,分析多截齒相互影響下的應(yīng)力分布及截割載荷特性尤為重要.

截齒侵入巖體后,在齒尖周圍出現(xiàn)應(yīng)力影響區(qū)并伴隨著裂紋擴(kuò)產(chǎn)生,巖石在剪切與拉伸的共同作用下出現(xiàn)破碎.如圖1(a)相鄰兩截齒間距較大,齒尖作用下的應(yīng)力區(qū)域相互獨(dú)立,此時兩截齒在截割時沒有相互影響.隨著兩截齒間距的減小，如圖1(b)和圖1(c)截齒的作用應(yīng)力范圍會有疊加區(qū)域,并且產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)展交錯在一起.巖石在兩個截齒的共同作用下,巖塊更加易于從巖體中破碎下來,截齒的截割載荷也會發(fā)生變化.不同的截齒間距,應(yīng)力疊加區(qū)及截割載荷不同,由此,截齒間距是影響雙截齒截割性能的重要參數(shù),以截齒間距為變量研究截割應(yīng)力分布及其對截割載荷影響有重要意義,為截割頭截齒排布設(shè)計(jì)提供了新思路.

圖1 相鄰截齒截割示意圖

1 巖石材料本構(gòu)模型

LS-DYNA是優(yōu)秀的顯式動力學(xué)分析程序,可以分析各種復(fù)雜的破碎、碰撞等非線性問題.為解決具有高應(yīng)變率特點(diǎn)的混凝土材料的大變形問題而提出的HJC(Holmquist-Johnson-Cook)模型是一種損傷本構(gòu)模型[7].巖石材料與混凝土材料力學(xué)性能較為相似,因此,使用HJC材料對巖石破碎進(jìn)行研究.HJC模型主要由強(qiáng)度方程、損傷演化方程、壓縮狀態(tài)方程3個方面組成.

強(qiáng)度方程即屈服面方程,反映了標(biāo)準(zhǔn)化等效應(yīng)力與靜水壓力在不同損傷狀態(tài)下的關(guān)系,其表達(dá)式為

(1)

壓縮狀態(tài)方程為分段式的狀態(tài)方程,如圖2所示,描述了材料在壓縮過程中,其靜水壓力與體積應(yīng)變兩者的關(guān)系.整個壓縮過程可以分為3個階段:線彈性變化、塑性變形、完全密實(shí).

圖2 HJC狀態(tài)方程曲線

第1階段 靜水壓力小于壓碎壓力(P

(2)

(3)

式中:K為體積模量;μ為單元體積應(yīng)變;Pc為壓碎壓力,MPa;μc為彈性極限體應(yīng)變.

第2階段 靜水壓力介于壓碎壓力與壓實(shí)壓力之間(Pc

(4)

式中:μl為壓實(shí)應(yīng)變;Pl為壓實(shí)壓力,單位為MPa.

第3階段 靜水壓力大于壓實(shí)壓力(Pl

(5)

材料損傷主要以等效塑性應(yīng)變和塑性體積應(yīng)變積累來定義,其損傷演化方程為

(6)

2 建立數(shù)值仿真模型

建立雙齒直線截割三維模型如圖3,模型由巖塊與相鄰的兩個截齒組成,為了節(jié)約運(yùn)算時間,兩個截齒以齒尖部分作為簡化,巖塊的長、寬、高分別為155,60,45 mm,截齒截割深度8 mm,兩截齒同時沿y軸正向截割速度為2 m/s,截齒間距s分別取35,40,45,50,55,60 mm等6組數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真計(jì)算,用以研究不同截齒間距時巖石的應(yīng)力分布規(guī)律及截割載荷特性.

圖3 相鄰齒截割模型示意圖

仿真分析中不需要考慮截齒的變形且截齒的彈性模量遠(yuǎn)大于巖石材料的彈性模量,為簡化計(jì)算,提高求解運(yùn)算速度,將截齒定義為剛體,同時,約束除y向移動以外的其他自由度,巖石材料使用HJC材料模型,主要的模型參數(shù):密度1 520 kg/m3，剪切模量1 223 MPa，抗壓強(qiáng)度11.13 MPa.

巖石的單元類型選擇solid164單元類型.劃分網(wǎng)格的質(zhì)量對求解質(zhì)量有較大影響,因此,破碎區(qū)域以單元邊長1 mm劃分,而其他區(qū)域?qū)\(yùn)算結(jié)果影響較小,可以適當(dāng)增加單元尺寸以減少單元數(shù)量提高運(yùn)算速度.截齒與巖石為典型的侵徹問題,接觸類型選擇ERODING_SURFACE_TO_SURFACE,巖石為接觸面,截齒為目標(biāo)面.為了防止剪切波與膨脹波對仿真結(jié)果的干擾,對巖塊除作為自由面的上表面外的其他5個面添加無反射邊界條件,以模擬真實(shí)工況中巖體無限大的特點(diǎn).在完成單元與材料的類型設(shè)置、劃分網(wǎng)格、添加約束與載荷、設(shè)置接觸以及求解控制等后,建立的有限元模型如圖4所示.

3 仿真結(jié)果分析和討論

圖4 有限元模型

巖石在截齒的作用下,在齒尖的周圍會產(chǎn)生應(yīng)力影響區(qū)域,如圖5為不同截齒間距時巖石等效應(yīng)力分布.對比不同截齒間距時巖石上應(yīng)力分布,不難看出,當(dāng)截齒間距較小時,截齒的應(yīng)力影響區(qū)域疊加在一起,間距越小,應(yīng)力疊加區(qū)域越大,當(dāng)截齒間距在50 mm以上時,截齒應(yīng)力影響區(qū)無疊加現(xiàn)象出現(xiàn),此時兩截齒截割相互獨(dú)立無相互影響.在靠近齒尖處應(yīng)力較大,距離齒尖越遠(yuǎn)應(yīng)力逐漸減小.同時,還可以發(fā)現(xiàn)在靠近齒尖頂點(diǎn)處應(yīng)力影響范圍較小,越靠近巖塊上作為自由面的上表面應(yīng)力影響范圍越大.如圖6為截齒間距35 mm截割后巖石截槽,可以發(fā)現(xiàn)靠近自由面的截槽寬度較大,隨著深度增加,靠近齒尖頂點(diǎn)處截槽寬度變窄,截槽形狀與應(yīng)力分布特點(diǎn)相一致.

截齒在直線截割巖石的過程中,受到的截割力包括沿x軸方向與巖塊上表面平行的側(cè)向力、沿y軸方向與截割方向相反的進(jìn)給阻力、沿z軸方向與巖塊上表面垂直的法向力,3個力的合力為截割作用力.圖7為截齒間距為35 mm時截割作用力變化曲線以及巖塊體積變化曲線.從圖中可以發(fā)現(xiàn),每一次截割作用力的峰值都會伴隨出現(xiàn)巖石體積階躍式的減少,出現(xiàn)巖石破碎崩落.截齒侵入巖石后,截齒進(jìn)給截割巖石,截齒受到的作用力先是極快速增加到達(dá)某一峰值,這時巖石發(fā)生破碎,隨后截割作用力斷崖式下降并在0處保持,當(dāng)截齒進(jìn)給再次接觸到因巖石崩碎形成的新斷面時,一次新的破碎周期開始,反映出了巖石的破碎特點(diǎn)為躍進(jìn)式破碎.

圖8為截齒間距為35 mm時,其中截齒1截割過程中受到的截割力變化曲線.從圖中看出,截齒在截割破巖的過程中,受到的進(jìn)給阻力最大,法向力次之,側(cè)向力最小且在正、負(fù)方向隨機(jī)變化.在截齒所受的三向力中,進(jìn)給阻力與截割作用力的波形和變化規(guī)律最為接近,且截齒在截割時主要是克服進(jìn)給阻力.因此,在三向力中進(jìn)給阻力是最為清晰地反映了截割特性.由于截齒截割時巖石的破碎呈現(xiàn)出躍進(jìn)式破碎的特點(diǎn),所以，截割力的峰值更能體現(xiàn)出截割載荷的規(guī)律,取截齒截割過程中一定量的進(jìn)給阻力的動態(tài)峰值求平均值,得到進(jìn)給阻力平均峰值,統(tǒng)計(jì)不同截齒間距時，兩個截齒的進(jìn)給阻力平均峰值如表1所示.為了方便觀察進(jìn)給阻力平均峰值的變化規(guī)律,做出其隨截齒間距變化的折線圖如圖9所示.

圖5 不同截齒間距應(yīng)力云圖

圖6 截割后巖塊截槽

圖7 截割作用力與巖塊體積變化

圖8 截齒間距35 mm截割力曲線

表1 進(jìn)給阻力平均峰值

圖9 進(jìn)給阻力平均峰值變化

由圖9可以看出,隨著截齒間距的增加,進(jìn)給阻力平均峰值先是增加,當(dāng)間距達(dá)到50 mm以后,進(jìn)給阻力平均峰值保持穩(wěn)定,說明截割載荷隨著間距的增加而提高,當(dāng)間距到達(dá)一定值后,間距不再對截割載荷有影響.結(jié)合上文中截齒以不同間距截割時應(yīng)力分布變化規(guī)律,可以發(fā)現(xiàn),隨著應(yīng)力疊加區(qū)域變小,進(jìn)給阻力平均峰值變大,當(dāng)兩個截齒應(yīng)力影響區(qū)相互獨(dú)立無疊加后,進(jìn)給阻力平均峰值達(dá)到最大且基本保持不變.由此,可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)力疊加對截割載荷有重要的影響,應(yīng)力影響區(qū)域的疊加,利于截齒截割巖石實(shí)現(xiàn)巖石破碎.

4 結(jié)語

煤礦巷道掘進(jìn)速度落后于煤炭開采速度,一直以來是煤礦企業(yè)生產(chǎn)中需要關(guān)注的問題.本文對截齒截割過程進(jìn)行動力學(xué)仿真,發(fā)現(xiàn)了不同截齒間距時的應(yīng)力分布規(guī)律,截齒間距在一定范圍內(nèi)存在應(yīng)力疊加區(qū).以進(jìn)給阻力平均峰值反映截割載荷,得到了不同截齒間距下應(yīng)力疊加對截割載荷的影響規(guī)律,為提高掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)效率,進(jìn)一步優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)截割頭上截齒排列設(shè)計(jì)提供了新思路和理論基礎(chǔ).

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Influence of stress superposition effect on cutting load in picks cutting process

ZHANG Xin,LI Xu,GAO Kuidong,LU Zhenguo,ZENG Qingliang

(College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,Shandong,China)

In order to optimize the pick arrangement of cutting head of heading machine and further improve the efficiency of roadway drivage,study on the variation of cutting load under the action of cutting stress superposition was finished. The numerical simulation model of adjacent two picks cutting was established by the dynamic simulation software LS-DYNA. Using the HJC concrete model to simulate the rock material,stress distribution and cutting force variation were analyzed with different distance between picks. The results indicated that stress superposition area under the action of picks decreases and average peak value of feed resistance increases continuously with the increase of distance between picks. When the distance is too large,the stress superposition disappears,the stress affected zone of the picks is independent of each other and average peak value of feed resistance keeps constant basically.

pick; heading machine; finite element analysis

教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃滾動支持資助項(xiàng)目(IRT1266)；中國博士后面上基金資助項(xiàng)目(2016M592214)；山東省博士后創(chuàng)新項(xiàng)目專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(201603057)

張 鑫(1970—)，男，教授，博士.E-mail：zhangxinmt@163.com

TD 421.5

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1672-5581(2017)02-0165-05