基于有限元分析的煤矿掘进机截割头优化设计研究_霍查.pdf

基于有限元分析的煤矿掘进机截割头优化设计研究霍查（山西焦煤霍州煤电汾源煤业公司，山西忻州035100）摘要：根据煤矿掘进机截割头的工程问题，研究了掘进机截割头的优化设计。以旋转角速度、摆动速度、截齿切削角、截齿倾角作为优化变量，选择合力平均值和切削载荷变化系数作为优化目标。通过正交试验和有限元分析，研究了这些参数对评价指标的影响，并且分析了评价指标随试验因素的变化趋势。将新截割头设计方案与原设计方案相比，优化设计后合力平均值和切削载荷变化系数分别降低了 18.3%、5.5%，有效地提高了掘进机截割头的切割性能。研究成果可为掘进机截割头的结构优化设计研究提供依据。关键词：煤矿；掘进机；截割头；有限元分析中图分类号：TD421.5文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0001-030引言掘进机作为巷道掘进设备，在煤矿开发生产中发挥着重要作用。截割头是直接参与截割的工作机构，在煤岩截割过程中消耗了机器的大部分功率。掘进机截割头在截割过程中，影响其性能的因素有很多，主要包括截割头本身的结构参数、机器的运动学参数、煤岩的物理力学性质等。合理的切削参数可以降低整机的振动，大大提高切削效率。随着模拟技术的发展，很多人尝试用离散元法或有限元法对煤岩截割进行数值模拟研究。正交试验是一种研究多因素水平的设计方法，常用于设备操作参数的性能优化，许多研究者用这种方法和数值模拟进行了结构的优化设计1。因此，本文针对掘进机截割头的优化设计，在截割头外形尺寸和截齿排列不变的情况下，以转速、摆动速度、截齿截割角和截齿倾角为优化变量，以截割载荷合力平均值和变异系数为优化目标，研究这些参数对评价指标的影响，并对截割头进行优化设计。研究结果表明了优化设计方法的正确性并能应用于实际工程中。1最优化结构设计的评价指标切削负荷是直接反映机器工作状态和切削性能的主要因素。本文以合力平均值和切削载荷变化系数作为影响截割头疲劳和波动的优化设计的评价指标2。许多学者研究了截割头切削载荷的计算方法，但尚未提出公认的统一的计算方法。合力的计算如下：R=Ra+Rb+Rc.（1）式中：Ra、Rb、Rc和 R 分别为截割头上的力、垂直力、轴向力和合成力，N；k 为此时参与切割的镐数；i为单个截割头的位置角，（）。截割头的载荷如图 1 所示，其中 n 为截割头的旋转角速度；v 为截割头的摆动速度。然而，由于截割头的非线性接触、非线性材料和截割头镐的复杂布置，截割头上的载荷是动态的和非线性的。因此，理论计算方法不能准确、全面地描述煤岩截割的复杂过程。因此，本文将尝试用有限元模拟的方法来计算切削载荷。2有限元模拟方法2.1参数设计为了得到截割过程中的切削载荷，采用ANSYS/LS-DYNA 方法进行了有限元模拟。仿真过程主要包括建立三维模型、选择元素类型、定义材料参数、有限元建模、定义接触与约束、加载和求解3。截割头的结构参数见表 1。四个变量的原始参数是旋转速度为48 r/min、摆动速度为 1.5 m/min、截割角为 48、截割倾角为 9。2.2运行分析在此分析中，为所有模型选择 solid164 的元素类型，并用*MAT_RIGID 定义截割头的材料，采用关键收稿日期：2022-04-25作者简介：霍查（1992），男，山西霍州人，本科，毕业于中国矿业大学安全工程专业，助理工程师，现任山西焦煤霍州煤电汾源煤业公司掘进二队技术员，研究方向为采矿工程。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.001图 1截割头载荷全长/mm圆柱直径/mm圆柱长度/mm 球形半径/m螺旋数线900850140R4003表 1截割头结构参数cvnPxiPziPyiRcRaRbbaOi试验研究机械管理开发第 38 卷词*MAT_DRUCKER_PRAGER4和材料的参数如表 2所示。设置它们之间的接触类型为面对面接触，对截割头施加不同的旋转角速度和摆动速度，原始参数的截割头上的载荷曲线如图 2 和图 3 所示，在模拟系统中没有截割的煤岩表面增加无反射边界条件，限制其他方向的自由度。设置为 100 步5的截割头的力输出增加输出接触面反作用力关键字“RCFORC”。切削过程载荷计算的有限元模型如图 4 所示，单元数为 234 435，节点数为 244 293。通过对切削过程的有限元分析，可以从仿真中得到截割头上合力的时间历程曲线，如图 5所示。3正交试验设计通过有限元分析研究了速度、合力等单因素对评价指标的影响；然而，这些因素对合力平均值和切削载荷变化系数的影响是相互的。采用正交试验设计，可以检验这些参数对评价指标的影响。3.1试验设计本研究设计了旋转角速度（因子 A）、摆动速度（因子 B）、切削角（因子 C）和倾角（因子 D）6的正交试验因子。根据之前的分析和设计经验，每个因素都选择了 3 个层次，如表 3 所示。采用正交阵列 L9（34）对试验进行排列，表明对 4 个因子进行了评价，每个因子取 3 个水平，共 9 次试验，正交试验方案如表 4所示。3.2正交试验结果由下页表 5 所示，合力平均值的因素影响依次为BCAD，这表明摆动速度是合力平均值最重要参数煤岩刻纹头密度/（g mm-3）1.51037.8103泊松比0.30.3弹性剪切模量/MPa1 4002.7105摩擦角/（）0.45内聚值/MPa0.766扩张角/（）0表 2材料参数图 2截割过程中的旋转角速度图 3截割过程中的摆动速度图 4仿真模型示意图图 5切削合力的时间历史曲线层次因素A 旋转角速度/（rad min-1）B 摆动速度/（m min-1）C 切削角/（）D 倾角/（）1361.24772481.54883601.8499表 3正交试验的因素和水平试验编号因素A 旋转角速度/（rad min-1）B 摆动速度/（m min-1）C 切削角/（）D 倾角/（）1361.24772361.54883361.84994481.24895481.54976481.84787601.24988601.54799601.8487表 4正交试验方案6.506.256.005.755.505.255.004.754.504.254.0002468101214161820时间/s旋转角速度/（rad s-1）26.025.825.625.425.225.024.824.624.424.224.0摆动速度/（mm s-1）02468101214161820时间/s500400300200100010152005时间/s合力/kN22023 年第 6 期的决定因素，倾角对该评价指标的影响最小。对于切削载荷的变异系数，最大的影响因素是倾角截齿的角度，其次是截齿的切削角度和旋转速度；摆动速度对切削载荷的变异系数影响不大。由图 6 和图 7 所示，可以清楚地看到合力平均值和切削载荷变异系数随试验因素的变化趋势。评价指标随旋转的变化趋势速度和摆动速度与单因素的影响是一致的，这意味着这些因素引起的结果受其他因素的影响很小。评价指标随截齿切削角和截齿倾角的变化趋势与单因素影响不一致，必须综合考虑其变化规律。因此，合力平均值的最佳优化方案为 A3B1C2D2，切削载荷变异系数的最佳优化方案为 A1B3C1D2。在本研究中，主要评价指标是决定截齿和截割头编号因素评价指标ABCD合力/kN系数1A1B1C1D11 6370.4972A1B2C2D21 5350.4813A1B3C3D31 7550.4844A2B1C2D31 3230.4925A2B2C3D11 5720.5356A2B3C1D21 7680.4507A3B1C3D21 3390.5138AB2C1D31 6080.4919A3B3C2D11 6250.529表 5正交方案参数图 6合力平均值与试验因子的关系图 7切削载荷变化系数与试验因子的关系疲劳寿命的合力平均值；不同优化方案的切削载荷变异系数范围较小，表明该评价指标受本文所分析因素的影响较小。因此，基于正交试验的结果，采用最佳的掘进机截割头设计为 A3B1C2D2（即旋转角速度为 60rad/min，摆动速度为 1.2 m/min，截齿切削角为 48，截齿倾角为 8）。优化设计的评价指标也可以通过有限元分析来计算，合力的平均值约为 1 243 kN。与原设计相比，两个评价指标分别下降了 18.3%和 5.5%。4结论为了提高掘进机截割头的截割性能，进行了正交试验优化参数。为此，选择旋转角速度、摆动速度、截齿切削角和截齿倾角作为优化变量，选择合力平均值和截割载荷变异系数作为优化目标。通过有限元分析研究了这些参数对评价指标的影响。从这项研究的结果中可以得出以下结论：1）合力的平均值随着旋转角速度的增加而减小，随着摆动速度的增加而增加；2）正交试验得出的合力平均值和切削载荷变异系数随试验因素的变化趋势与单因素影响的分析并不完全一致，验证了这些因素对评价指标的交互作用。本研究的最佳掘进机截割头设计为旋转角速度60 rad/min，摆动速度为 1.2 m/min，截2001801601401201002001801601401201002001801601401201002001801601401201000.600.550.500.450.400.600.550.500.450.400.600.550.500.450.400.600.550.500.450.402436486072旋转角速度/（rad min-1）合力/kN0.91.21.51.82.1摆动速度/（m min-1）合力/kN4647484950切削角/（）合力/kN合力/kN678910倾角/（）24364860720.91.21.51.82.14647484950678910旋转角速度/（rad min-1）摆动速度/（m min-1）切削角/（）倾角/（）变差系数变差系数变差系数变差系数6-1旋转角速度6-2摆动速度6-3切削角6-4倾角7-1旋转角速度7-2摆动速度7-3切削角7-4倾角（下转第 6 页）霍查：基于有限元分析的煤矿掘进机截割头优化设计研究3机械管理开发第 38 卷性，研究中除了进行理论分析验证以外，还会将此结果进行工程应用分析。具体来说，就是将仿真分析结果应用于采煤机行走轮齿根结构优化设计过程中，并根据优化设计结果来与实际结果进行匹配对比，进而检验此结果的有效性。最终通过工程应用发现，相较于传统的采煤机行走轮齿根结构优化方法来说，本文所提出的仿真分析方法更加快速有效，并且无须在结构设计中进行实物制作、问题分析以及结构优化等工作，可以有效降低设计成本，具有较高的应用价值。5结语本文基于 FRANC3D 软件提出一种采煤机行走轮齿根疲劳强度分析方法，并以此为基础分别从齿根裂纹角度和行走轮载荷大小两个角度对不同因素影响下行走轮齿根疲劳强度所造成的影响进行有限元分析，并通过理论分析对分析结果进行检验确定，初步确认此方法的有效性。此外，将方法应用于设计工程实践中，确认此方法的有效性同时，也进一步确认了此方法的应用价值，值得在后续采煤机行走轮齿轮结构设计中进行参考应用，降低设计成本，保障行走轮齿轮强度符合实际使用要求。参考文献1范逢春.基于 NCODE 疲劳分析对采煤机行走轮寿命的研究J.机械管理开发，2020，35（10）：141-143.2贠瑞光.基于 FRANC3D 的采煤机行走轮齿根裂纹扩展特性研究J.煤矿机电，2018（6）：8-10.3王瑞利，李菲.基于 FRANC3D 的轮齿裂纹特性研究J.煤炭技术，2015（12）：225-226.4王振乾.轮齿可拆换的采煤机行走轮结构设计与强度校核J.矿山机械，2020，48（8）：12-15.5梁鹏威，韩振南，宁少慧，等.基于 ANSYS/LS-DYNA 的齿根故障仿真与分析J.机械传动，2015，39（8）：136-138.（编辑：李俊慧）FRANC3D-Based Simulation Study of Coal Mining Machine Running Wheel Tooth RootsWang Jinjin（Shanxi Coking Coal Huozhou Coal Power Sanjiaohe Coal Mine,Linfen Shanxi 041600）Abstract:Based on the basic characteristics of fatigue damage,a FRANC3D-based simulation and analysis method of coal miner walkingwheel tooth roots is proposed.This method requires the construction of a model of the walking wheel tooth root of a coal mining machine,and then the simulation analysis is carried out on this basis,and the influence of different factors on the strength stress factor of the toothroot is confirmed by means of simulation,which can then provide some theoretical reference for the subsequent optimization of the walkinggear tooth root structure of a coal mining machine.Key words:coal mining machine;walking wheel;tooth root;simulation analysis;FRANC3D齿切削角为 48，截齿倾角为 8，与原设计相比，合力平均值和截割载荷变异系数分别降低了 18.3%和5.5%，达到了预期设计效果。参考文献1杨阳，王鹏江，吉晓冬，等.基于模糊数学的掘进机截割头转速分档预测方法J.煤炭工程，2022，54（2）：172-176.2熊媛媛.FOA-PID 控制器在悬臂式掘进机截割头升降控制系统中的应用J.液压与气动，2021，45（4）：160-166.3李震.XTR6/260 悬臂式隧道掘进机在引水隧洞工程中的应用J.中国高新科技，2020（23）：81-82.4赵勇伟.三交河煤矿 EBZ-200A 型掘进机截割头优化与验证分析J.煤炭与化工，2019，42（10）：76-79.5杨文娟，张旭辉，马宏伟，等.悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统研究J.煤炭科学技术，2019，47（6）：50-57.6赵丽娟，鲍文杰，马强，等.基于 MATLAB 与 EXCEL 联合编程开发掘进机截割头设计新方法J.机械强度，2017（1）：130-137.（编辑：李俊慧）Research on the Optimal Design of Cut-Off head of Coal Mine Excavator Based on FiniteElement AnalysisHuo Cha（Shanxi Coking Coal Huozhou Coal and Power Fenyuan Coal Company,Xinzhou Shanxi 035100）Abstract:According to the engineering problems of the cutting head of coal mine excavator,the optimal design of the cutting head ofexcavator is studied.The rotation speed,swing speed,pick cutting angle and pick inclination angle are taken as the optimization variables,and the average value of combined force and cutting load variation coefficient are selected as the optimization objectives.Throughorthogonal tests and finite element analysis,the influence of these parameters on the evaluation indexes was investigated and the trend ofthe evaluation indexes with the experimental factors was analysed.Compared with the original design,the new cutter head design hasreduced the average force and cutting load variation coefficient by 18.3%and 5.5%respectively,which effectively improves the cuttingperformance of the cutter head.The research results can provide a basis for the research of structural optimization design of the cuttinghead of roadheader.Key words:coal mine;roadheader;cutting head;finite element analysis（上接第 3 页）6