镐型截齿割岩过程的温度场模拟

刘春生,　宋　杨,　陈金国,　孙广义

(1.黑龙江科技大学 机械工程学院, 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学 矿业工程学院, 哈尔滨 150022)



镐型截齿割岩过程的温度场模拟

刘春生1,宋杨1,陈金国1,孙广义2

(1.黑龙江科技大学 机械工程学院, 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学 矿业工程学院, 哈尔滨 150022)

通过截齿磨损与齿尖锥角的关系以提高其工作可靠性和寿命,利用ABAQUS软件建立截齿割岩的三维有限元模型,对其过程进行热力耦合分析,探究其温度分布和变化规律。结果表明:截齿锥角对温度的影响不显著,高温区分布影响显著。在锥角小于崩落角范围内,随着齿尖锥角的增大,刀尖点稳定温度略有降低,而高温区域增多面积增大且位置下移。滚筒转速对温度影响显著,且随着滚筒转速的增大刀尖点稳定温度呈增大的变化规律,截齿合金头温度分布与应力分布基本一致,均呈月牙形。该研究为深入理解截齿的磨损机理提供了参考。

镐型截齿; 温度场; 温度-位移耦合

0　引　言

在岩石开采过程中,截齿磨损是采煤效率降低的原因之一,其中截割岩石过程中产生的热是截齿磨损的一个主要因素,截齿与岩石相作用时产生的热量越大、温度越高,对截齿材料的理化性质影响越大,故容易造成截齿的磨损。研究影响截齿磨损的参数,主要通过实验和数值分析方法分析截齿磨损状态。温度作为衡量镐型截齿截割岩石性能的重要指标之一,很难通过实验方法进行确定,由于现有的实验方法较难测得某个点的瞬态温度及截割区域的温度梯度分布,需要进行多组实验才能确定刀具的最佳参数,该方法不仅费时耗力而且容易产生较大误差。虽然可通过非接触的红外测温仪来测量温度,但是限于截齿截割岩石时截齿齿尖包裹在岩石里或岩石崩落时的阻碍,测试结果往往难于保证其精度。而有限元方法可综合考虑截齿的几何形状以及材料性能等因素的影响,通过设定截齿材料、几何、截割、换热系数等参数,得到截齿的温度场和截割力的分布状况[1-3],因此,笔者采用有限元法对镐型截齿截割岩石的温度场进行模拟研究,以期揭示截齿锥角和滚筒转速对温度的影响规律。

1　摩擦传热原理

假设截齿温度场为三维非稳态温度场,根据能量守恒定律和傅里叶传热定律,建立控制方程,瞬态温度场Q(x,y,z)应满足[4]:

(1)

式中:ρ——密度,kg/m3;

c——比热,J/(kg·K);

Q——材料内热强度,W/kg;

kx、ky、kz——x,y,z向的传热系数,W/(m2·K)。

边界条件如下。

Dirichlet条件,在S1上给定边界温度为固定值:

(2)

在S2上给定边界热流密度:

(3)

式中：nx、ny、nz——方向余弦;

在S3上给定空气和材料间的对流换热:

(4)

式中：Q∞——环境温度,℃;

在温度位移耦合分析中,η被定义为摩擦能转化为热能的系数,它决定了摩擦滑动作为热量进入岩石体时能量的比例,产生的热分别传递到第一和第二表面,即∫1和∫2(瞬间传入岩石中的热取决于∫1和∫2值),截齿表面产生的热通量由式(5)计算。

(5)

式中:τm——截齿表面与岩石之间的摩擦剪应力,N/mm2;

Δs——滑动增量;

Δt——时间增量;

λc——导热系数,W/(m·K);

Δd——材料的厚度,mm;

θ1、θ2——齿体温度,℃。

2　数值模型与参数

以MG150/345-W型采煤机镐型截齿为原型,采用ABAQUS对截齿截割岩石过程进行模拟分析,实体模型如图1所示,其中图1a、b分别为截齿、岩石的实体模型。文中主要考虑截齿的几何形状(截齿锥角)和滚筒旋转转速对温度的影响。模拟实验中的岩石抗压强度为30 MPa,滚筒转速和牵引速度分别为59.8和2 m/min,截齿切向安装角为45°,锥角分别为75°、80°和85°。滚筒转速分别为50、60和70 r/min,锥角为80°。在ABAQUS/Part模块中设置截齿和岩石为可变形柔性体,根据岩石应力应变特性及复杂的受力特点及具有黏弹性、剪胀性的组成结构,Property模块中建立扩展的线性德鲁克-普拉格(Extended Liner Drucker-Prager)模型[5-7]来模拟岩石材料。假设岩石材料是均质连续的且层理节理特征不明显,同时忽略其自身的自然裂隙。Mesh模块中采用温度耦合单元C3D8RT划分截齿和岩石网格,网格模型如图2所示。Step模块中设置温度-位移耦合分析步进行仿真分析,数值模型中使用的材料参数如表1所示。

图1　镐型截齿和岩石的实体模型

图2　镐型截齿截割岩石的网格模型

材料ρ/kg·m-3E/GPaμλc/W·(m·K)-1c/J·(kg·K)-1αV/K-1齿尖14600600.00.2275.40 2204.5×10-6齿体7800207.00.3042.70 4771.6×10-5岩石1500 1.40.304.3512601.0×10-7

3　仿真结果分析

3.1截齿锥角对温度的影响

截割岩石0.06 s时的应力云图如图3所示。截割达到稳定情况时截齿温度场分布的云图如图4所示。其中图4a、b和c分别为锥角75°、80°和85°时截齿的温度分布情况。

由图3可知,截齿截割岩石时所受的局部应力较大,合金头、合金头与齿体连接处及与齿套相接触的齿体均有局部应力的产生。截齿截割岩石时齿尖受到波动载荷致使齿体后端弯曲,且随着大块岩的崩落截齿的动态应力不断交替变化,使截齿的疲劳强度下降,因而降低了截齿的使用寿命和可靠性,与文献[8]一致。

图3　截割过程应力云图

图4　不同锥角的截齿温度场分布云图

由图4可知,截割过程中截齿合金头温度分布呈月牙形,与文献[9]应力分布基本一致。在实验研究75°～85°,且锥角小于崩落角范围内,截割温度随着齿尖锥角的增大略有降低的趋势,随着齿尖锥角的增大高温区域增多、面积增大(通过Caxa二次开发计算高温区面积得75°时,高温区面积为22.98 mm2;80°时,高温区面积为23.79 mm2;85°时,高温区面积为57.73 mm2)且位置下移,图4c中明显可以看出,齿体部位温度较高,说明锥角的增加导致磨损带增大。这是因为大的锥角增加了齿体与岩石相接触的几率,从而导致齿体温度升高。截齿温度值最高点位于合金头与截齿齿体的连接处,说明该处受应力较大,易加剧磨损,从而使合金头松脱,致使丢失。在截割岩石时,截割温度的升高主要是由齿岩摩擦功形成的热及岩石的塑性变形功转换成热引起,截割温度的数量级主要受齿岩界面间的摩擦影响,且摩擦热沿着刀具前刀面不断增加。

在后处理模块中输出截齿刀尖点的温度变化曲线,如图5所示。

图5　不同锥角截齿刀尖点的温度变化曲线

从图5温度变化曲线可以看出,随着时间的增大,截齿截割岩石过程中刀尖点温度逐渐增大后渐趋稳定。这是因为截割初期摩擦生热大于耗散热,随着温度的升高,对流和传导散热随之增加,最终等同于摩擦产生的热量。由于速度和机器运行参数不变,截割一段时间后齿岩系统的温度趋于稳定。同时可以看出,截割未达稳定状态前,锥角越大,温度上升的梯度越大,而截割达到稳定状态后,刀尖点稳定温度随着锥角的增大略有降低。这是因为锥角越小,刀尖相对越锋利,越容易产生应力集中,发生温度积聚现象,且锥角越小刀头散热面积和容热体积越小。因此,从结构设计角度,在保证截齿刚度的同时应合理选择截齿刀尖圆弧角度,使其与截齿锥角相匹配,以避免应力集中。

3.2滚筒转速对温度的影响

在后处理模块中输出不同滚筒转速下截齿刀尖点的温度变化曲线,如图6所示。

图6　不同滚筒转速的截齿刀尖点的温度变化曲线

从图6中可以看出,滚筒转速变化为50～70 r/min时,在截割的初始阶段,刀尖点温度迅速上升,且滚筒转速越大温度上升梯度越大,随着截割的进行,逐渐进入稳定状态。刀尖点温度明显增大的原因是当破碎岩石沿截齿前刀面崩落时,摩擦热一边生成一边向岩石内部和截齿内部传导。随着滚筒转速的提高,摩擦热生成的时间极短,而截割热向岩石内部和刀具内部传导都需要一定时间。因此,提高滚筒转速的结果是摩擦热大量聚积在岩石表面,从而使截割温度升高。同时,滚筒转速的增大使岩石变形增大,截割功率增大,从而使产生的截割热相应增多。

4　结束语

采用弹塑性及热力耦合的有限元方法,对镐型截齿旋转截割岩石过程进行模拟,分析单截齿截割岩石过程中产生的热,以及截齿锥角和滚筒转速对截齿温度分布的影响。

在实验研究范围内,截齿锥角对温度的影响不显著,且截割岩石过程中的截割稳定温度和刀尖点稳定温度随着齿尖锥角的增大略有降低,随着时间的增大,齿尖点温度逐渐增大后渐趋稳定。截割未达稳定状态前,锥角越大,温度上升的梯度越大。截齿锥角对高温区分布影响显著,锥角越大,高温区越多面积越大。随着滚筒转速的增大,齿尖点稳定温度明显升高。截齿合金头温度分布与应力分布基本一致,均呈月牙形。该研究为改善截齿设计、提高截齿使用寿命具有一定的理论意义。

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(编辑李德根)

Simulation of temperature fields on conical pick cutting rock

LIUChunsheng1,SONGYang1,CHENJinguo1,SUNGuangyi2

(1.School of Mechanical Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2.School of Mining Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

Aimed at identifying the intrinsic relationships between wear of pick and pick tip cone angle, and improving work reliability and life, this paper presents a three-dimensional finite element model of the pick cutting rock, developed by using ABAQUS software and describes an analysis of the process of pick cutting rock with thermal-mechanical coupling and an exploration of the temperature distribution and the changes. The results indicate that the pick tip cone angle has little effect on the temperature, but has a significant effect on the distribution of high temperature zone. Where the cone angle is less than the caving angle, increasing pick tip cone angle leads to a slight reduction in the stable temperature of the tip point and to an increase both in high-temperature region and area, with the location moving down. Roller rotate speed has a significant impact on the temperature and the stable temperature of the tip point shows an increasingly changing law along with the roller rotate speed. The temperature distribution of pick alloy head is consistent with stress distribution, showing the crescent distribution. The research provides reference for the in-depth understanding of wear mechanism on picks.

conical pick; temperature fields; coupled temperature-displacement

2013-06-16

国家自然科学基金面上项目(51274091);黑龙江省研究生创新科研资金项目(YJSCX2012-327HLJ)

刘春生(1961-),男,山东省牟平人,教授,硕士,研究方向:机械设计和液压传动与控制,E-mail:liu-chunsheng@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.005

TD421.6

1671-0118(2013)04-0337-04

A