截齿截割过程中应力叠加效果对截割载荷的影响

张 鑫，李 旭，高魁东，逯振国，曾庆良

(山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590)



截齿截割过程中应力叠加效果对截割载荷的影响

张 鑫，李 旭，高魁东，逯振国，曾庆良

(山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590)

为了优化掘进机截割头上截齿排布,进一步提高巷道掘进效率,研究了截割应力叠加作用下的截割载荷变化规律.使用动力学仿真软件LS-DYNA建立了相邻两截齿截割数值仿真模型,利用HJC混凝土模型模拟岩石材料,分析了截齿以不同截齿间距破岩时的应力分布及截割力变化规律.结果表明:随着截齿间距的增加,截齿作用下的应力叠加区域不断减小,进给阻力平均峰值不断增大;当截齿间距过大时,应力叠加现象消失,截齿的应力影响区相互独立,进给阻力平均峰值达到最大且基本保持不变.

截齿; 掘进机; 有限元分析

随着煤炭开采效率的提升,煤矿对巷道掘进速度的要求不断提高.掘进机是巷道掘进机械化作业的重要机械[1],截割头旋转带动截齿冲击岩壁以实现对岩石的破碎.众多学者对于截齿截割破岩过程做了大量研究,王峥荣等[2]利用有限元仿真分析,对比不同安装角度时截割效率的变化规律,确定最优安装角度.张艳林等[3]对掘进机单个截齿的破岩过程进行仿真研究,对比不同条件下的截齿受力与载荷波动,得到了截割力与截割角及截割速度的关系.张梦奇[4]建立了具有不同螺旋线数及螺旋升角的截割头模型,分析转动系数、截割牵引力等参数,发现3头螺旋线截割头适应性强,截割性能最佳.周游等[5]完成镐形截齿的旋转截割煤岩仿真,研究单个截齿截深与比能耗的关系以及截割阻力在不同切削角时的差异,得出截割力最小的截深与切削角.史德强等[6]统计了掘进机在掘进时的岩石抗压强度和掘进速度,利用线性回归分析,确定了合理的截割煤岩速度大小.现有的研究大多是以单个截齿的截割深度、侵入角度、齿尖锥角等作为研究对象进行岩石破碎研究,对截齿在截割头上的排布参数(如螺线角度、安装角度等)进行分析,少有文献涉及多截齿截割过程中截割载荷研究.因此,为进一步优化截齿在截割头上的排列,提高岩石破碎效率,分析多截齿相互影响下的应力分布及截割载荷特性尤为重要.

截齿侵入岩体后,在齿尖周围出现应力影响区并伴随着裂纹扩产生,岩石在剪切与拉伸的共同作用下出现破碎.如图1(a)相邻两截齿间距较大,齿尖作用下的应力区域相互独立,此时两截齿在截割时没有相互影响.随着两截齿间距的减小，如图1(b)和图1(c)截齿的作用应力范围会有叠加区域,并且产生的裂纹扩展交错在一起.岩石在两个截齿的共同作用下,岩块更加易于从岩体中破碎下来,截齿的截割载荷也会发生变化.不同的截齿间距,应力叠加区及截割载荷不同,由此,截齿间距是影响双截齿截割性能的重要参数,以截齿间距为变量研究截割应力分布及其对截割载荷影响有重要意义,为截割头截齿排布设计提供了新思路.

图1 相邻截齿截割示意图

1 岩石材料本构模型

LS-DYNA是优秀的显式动力学分析程序,可以分析各种复杂的破碎、碰撞等非线性问题.为解决具有高应变率特点的混凝土材料的大变形问题而提出的HJC(Holmquist-Johnson-Cook)模型是一种损伤本构模型[7].岩石材料与混凝土材料力学性能较为相似,因此,使用HJC材料对岩石破碎进行研究.HJC模型主要由强度方程、损伤演化方程、压缩状态方程3个方面组成.

强度方程即屈服面方程,反映了标准化等效应力与静水压力在不同损伤状态下的关系,其表达式为

(1)

压缩状态方程为分段式的状态方程,如图2所示,描述了材料在压缩过程中,其静水压力与体积应变两者的关系.整个压缩过程可以分为3个阶段:线弹性变化、塑性变形、完全密实.

图2 HJC状态方程曲线

第1阶段 静水压力小于压碎压力(P

(2)

(3)

式中:K为体积模量;μ为单元体积应变;Pc为压碎压力,MPa;μc为弹性极限体应变.

第2阶段 静水压力介于压碎压力与压实压力之间(Pc

(4)

式中:μl为压实应变;Pl为压实压力,单位为MPa.

第3阶段 静水压力大于压实压力(Pl

(5)

材料损伤主要以等效塑性应变和塑性体积应变积累来定义,其损伤演化方程为

(6)

2 建立数值仿真模型

建立双齿直线截割三维模型如图3,模型由岩块与相邻的两个截齿组成,为了节约运算时间,两个截齿以齿尖部分作为简化,岩块的长、宽、高分别为155,60,45 mm,截齿截割深度8 mm,两截齿同时沿y轴正向截割速度为2 m/s,截齿间距s分别取35,40,45,50,55,60 mm等6组数据进行仿真计算,用以研究不同截齿间距时岩石的应力分布规律及截割载荷特性.

图3 相邻齿截割模型示意图

仿真分析中不需要考虑截齿的变形且截齿的弹性模量远大于岩石材料的弹性模量,为简化计算,提高求解运算速度,将截齿定义为刚体,同时,约束除y向移动以外的其他自由度,岩石材料使用HJC材料模型,主要的模型参数:密度1 520 kg/m3，剪切模量1 223 MPa，抗压强度11.13 MPa.

岩石的单元类型选择solid164单元类型.划分网格的质量对求解质量有较大影响,因此,破碎区域以单元边长1 mm划分,而其他区域对运算结果影响较小,可以适当增加单元尺寸以减少单元数量提高运算速度.截齿与岩石为典型的侵彻问题,接触类型选择ERODING_SURFACE_TO_SURFACE,岩石为接触面,截齿为目标面.为了防止剪切波与膨胀波对仿真结果的干扰,对岩块除作为自由面的上表面外的其他5个面添加无反射边界条件,以模拟真实工况中岩体无限大的特点.在完成单元与材料的类型设置、划分网格、添加约束与载荷、设置接触以及求解控制等后,建立的有限元模型如图4所示.

3 仿真结果分析和讨论

图4 有限元模型

岩石在截齿的作用下,在齿尖的周围会产生应力影响区域,如图5为不同截齿间距时岩石等效应力分布.对比不同截齿间距时岩石上应力分布,不难看出,当截齿间距较小时,截齿的应力影响区域叠加在一起,间距越小,应力叠加区域越大,当截齿间距在50 mm以上时,截齿应力影响区无叠加现象出现,此时两截齿截割相互独立无相互影响.在靠近齿尖处应力较大,距离齿尖越远应力逐渐减小.同时,还可以发现在靠近齿尖顶点处应力影响范围较小,越靠近岩块上作为自由面的上表面应力影响范围越大.如图6为截齿间距35 mm截割后岩石截槽,可以发现靠近自由面的截槽宽度较大,随着深度增加,靠近齿尖顶点处截槽宽度变窄,截槽形状与应力分布特点相一致.

截齿在直线截割岩石的过程中,受到的截割力包括沿x轴方向与岩块上表面平行的侧向力、沿y轴方向与截割方向相反的进给阻力、沿z轴方向与岩块上表面垂直的法向力,3个力的合力为截割作用力.图7为截齿间距为35 mm时截割作用力变化曲线以及岩块体积变化曲线.从图中可以发现,每一次截割作用力的峰值都会伴随出现岩石体积阶跃式的减少,出现岩石破碎崩落.截齿侵入岩石后,截齿进给截割岩石,截齿受到的作用力先是极快速增加到达某一峰值,这时岩石发生破碎,随后截割作用力断崖式下降并在0处保持,当截齿进给再次接触到因岩石崩碎形成的新断面时,一次新的破碎周期开始,反映出了岩石的破碎特点为跃进式破碎.

图8为截齿间距为35 mm时,其中截齿1截割过程中受到的截割力变化曲线.从图中看出,截齿在截割破岩的过程中,受到的进给阻力最大,法向力次之,侧向力最小且在正、负方向随机变化.在截齿所受的三向力中,进给阻力与截割作用力的波形和变化规律最为接近,且截齿在截割时主要是克服进给阻力.因此,在三向力中进给阻力是最为清晰地反映了截割特性.由于截齿截割时岩石的破碎呈现出跃进式破碎的特点,所以，截割力的峰值更能体现出截割载荷的规律,取截齿截割过程中一定量的进给阻力的动态峰值求平均值,得到进给阻力平均峰值,统计不同截齿间距时，两个截齿的进给阻力平均峰值如表1所示.为了方便观察进给阻力平均峰值的变化规律,做出其随截齿间距变化的折线图如图9所示.

图5 不同截齿间距应力云图

图6 截割后岩块截槽

图7 截割作用力与岩块体积变化

图8 截齿间距35 mm截割力曲线

表1 进给阻力平均峰值

图9 进给阻力平均峰值变化

由图9可以看出,随着截齿间距的增加,进给阻力平均峰值先是增加,当间距达到50 mm以后,进给阻力平均峰值保持稳定,说明截割载荷随着间距的增加而提高,当间距到达一定值后,间距不再对截割载荷有影响.结合上文中截齿以不同间距截割时应力分布变化规律,可以发现,随着应力叠加区域变小,进给阻力平均峰值变大,当两个截齿应力影响区相互独立无叠加后,进给阻力平均峰值达到最大且基本保持不变.由此,可以发现应力叠加对截割载荷有重要的影响,应力影响区域的叠加,利于截齿截割岩石实现岩石破碎.

4 结语

煤矿巷道掘进速度落后于煤炭开采速度,一直以来是煤矿企业生产中需要关注的问题.本文对截齿截割过程进行动力学仿真,发现了不同截齿间距时的应力分布规律,截齿间距在一定范围内存在应力叠加区.以进给阻力平均峰值反映截割载荷,得到了不同截齿间距下应力叠加对截割载荷的影响规律,为提高掘进机掘进效率,进一步优化掘进机截割头上截齿排列设计提供了新思路和理论基础.

[1] 毛君,吴常田,谢苗.浅谈悬臂式掘进机的发展及趋势[J].中国工程机械学报,2007,5(2):240-242.

MAO Jun,WU Changtian,XIE Miao. Advances and trends on boom-type excavators[J]. Chinese Journal of Construction Machinery,2007,5(2):240-242.

[2] 王峥荣,熊晓燕,张宏,等.基于LS-DYNA采煤机镐型截齿截割有限元分析[J].振动、测试与诊断,2010,30(2):163-165.

WAN Zhengrong,XIONG Xiaoyan,ZHANG Hong,et al. Study on conical pick cutting using LS-DYNA[J]. Journal of Vibration,Measurement & Diagnosis,2010,30(2):163-165.

[3] 张艳林,闫炳雷,陈锷,等.基于ANSYS/LS_DYNA的掘进机截齿截割煤岩动力学分析[J].机械设计,2013,30(2):74-77.

ZHANG Yanlin,YAN Binglei,CHEN E,et al. Dynamic analysis on conical pick cutting based on ANSYS/LS_DYNA[J]. Journal of Machine Design,2013,30(2):74-77.

[4] 张梦奇.截齿排布螺旋线对纵向截割头性能的影响[J].煤炭科学技术,2013,41(12):84-88.

ZHANG Mengqi. Influence of pick arrangement for spiral line on longitudinal cutting head performance[J]. Coal Science and Technology,2013,41(12):84-88.

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ZHOU You,LI Guoshun,TANG Jinyuan. Simulation and analysis for pick cutting rock by LS DYNA[J]. Journal of Engineering Design,2011,18(2):103-108.

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SHI Deqiang,LU Gang,QIN Shuaitao,et al. Analysis and research on cutting speed and fault tree of heading machine in fully mechanized heading face[J]. Coal Engineerng,2016,48(5):106-108.

[7] 巫绪涛,李耀,李和平.混凝土HJC本构模型参数的研究[J].应用力学学报,2010,27(2):340-344.

WU Xutao,LI Yao,LI Heping. Research on the material constants of the HJC dynamic constitutive model for concrete[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics,2010,27(2):340-344.

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

教育部创新团队发展计划滚动支持资助项目(IRT1266)；中国博士后面上基金资助项目(2016M592214)；山东省博士后创新项目专项资金资助项目(201603057)

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

TD 421.5

A

1672-5581(2017)02-0165-05