截齿安装约束的动力学性能研究.pdf

试验研究No.7,2023MechanicalDevelopmentManagementand2023年第7 期Total2243总第2 4 3 期机械管理开发D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.022截齿安装约束的动力学性能研究孙增乐（晋能控股集团马道头煤业有限公司，山西大同037000)摘要：基于CAD和ANSYS软件建立掘进机截割部截齿的数值模拟仿真软件，并在设置仿真条件的基础上，分别对截齿在不同冲击时刻下截齿头部和刀杆尾部的应力、应变情况进行对比，得出不同截齿安装约束下对应的动力学性能，为后续提升截齿安全性和可靠性奠定基础。关键词：掘进机；截割部；截齿；刀杆尾部；动力学特性中图分类号：TD421.61文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3 X(2023)07-0058-020引言掘进机为煤矿综采工作面的关键设备，其对于工作面巷道的掘进具有重要意义。掘进机截割部为与煤层或岩层直接接触的部件，由于煤层岩层条件不均匀导致其所承受的载荷处于动态变化状态。截齿为与煤层与岩层直接接触的零件，不同角度安装的截割反馈至截割部甚至到整机的应力是不同的。在实际生产中，需要对截齿进行合理安装，以避免截割部振动严重，进而传递至整机影响截割效率或其他零部件的使用寿命。本文将以掘进机截齿为研究对象，重点对安装约束对掘进机动力学性能的影响进行仿真分析1-3 1掘进机截齿模型的建立及仿真条件设置截齿为与煤层或岩层直接接触的部件，截齿安装角度、材料属性等参数对于整机设备最终的破碎能力、生产效率等指标非常关键；其也是掘进机设计的关键4-6 。从某种意义上讲,提升掘进机截齿的综合性能对于提升整机的截割性能具有主导作用。1.1截齿模型的建立本文的核心研究对象为掘进机的截齿。首先基于CAD软件建立掘进机截齿的三维模型，并将模型导入至最终的ANSYS数值模拟分析软件。结合掘进机的实际截割工况，将其所截割的煤岩层视为立方体；而且截齿与煤岩体呈现4 5 角接触实现对煤岩层的截割。本文所研究的重点对截齿不同底座约束对掘进机截齿动力学的影响。因此，将截齿的底座简化为圆柱形的孔与椭圆形孔的组合呈现对截齿不同的安装约束。截齿的材料属性也是影响掘进机截割部最终截割性能的关键因素。在数值模拟仿真中还需对截割部底座、煤岩层等材料的属性进行设置。数值模拟仿真模型中各类材料模型参数设置如表1所示。综合兼顾仿真计算的精度和计算量，对上述所建立的数值模拟仿真模型进行合理的网格划分，得到掘进机截齿的数值模拟有限元仿真模型，如图1所示。表1数值模拟仿真模型材料属性参数设置密度弹性模量剪切模量屈服极限部件泊松比/(kg/mm)/GPa/MPa/MPa截齿7.83 1060.32071500930底座7.83 100.320715001500煤岩层1.5 10-60.30.01442830图1掘进机截齿数值模拟仿真模型本文研究的重点为不同安装约束下截齿的动力学性能，所建立的不同约束截齿的有限元模型如图2所示。图2不同安装约束下截齿截割煤岩层的动力学仿真模型1.2截齿载荷模型的建立掘进机截齿在实际截割过程中，截齿所承受的载荷导致其在位移、温度以及受力均呈现不同的变化趋势。根据掘进机实际截割过程中的载荷情况完成图2中模型的边界条件设置是保证准确仿真的基础7 。掘进机截齿在实际截割过程中其运动可视截割部的旋转和截齿自转的合成运动，为截齿设置的载荷如下：对截齿的刀杆尾部施加在YZ方向的位移约束,并给予其在X方向的全自由度；针对X方向为截齿施加相应的速度冲击约束。2截齿安装约束对掘进机整机的动力学性能影响掘进机截齿对煤岩层进行截割时，由于其所承受的载荷处于动态变化状态，对应截齿的失效形式也不同。其中，在实际截割过程中由于截齿安装不牢固或者固定截齿装置出现较为严重的磨损等问题，从而导收稿日期：2 0 2 2-0 5-0 5作者简介：孙增乐（19 9 3 一），男，山西朔州人，本科，毕业于山西工程技术学院，助理工程师，研究方向为采煤工程。卜转弟6 4 贝）.59：孙增乐：截齿安装约束的动力学性能研究2023年第7 期致截齿从底座松动甚至会脱落丢失等。本文在上述模型建立的基础上，对掘进机截齿的冲击过程进行数值模拟仿真分析。2.1截齿的等效应力仿真结果对掘进机截齿截割煤岩层的工况，即截齿受到煤岩层冲击不同时刻的应力情况进行仿真分析，具体分析的时刻点包括受到冲击后的0.3 ms、0.4 m s、0.5 m s和0.6 ms的应力变化进行仿真分析。仿真结果如图3所示。()(b)()()()(8)()040801201602060100140180图3截齿在不同受到冲击时刻的应力效应图如图3 所示，左侧图中截齿的约束为圆柱孔；右侧图中截齿的约束为椭圆孔。分析可知：随着截齿受力冲击时间的增加，对应截齿所受到的应力呈现先增大后减小的变化趋势；其中，截割头部顶端的受力相似；而刀杆尾部的应力效应变化幅度较大，而且距离截齿截割头的距离越远，其所承受的弯曲应力越大，最直接的表现形式为刀杆尾部被折断8-9 。总的来讲，截齿椭圆安装孔对应其所承受的应力大于圆柱安装孔所承受的应力；而且随着冲击时间的增加，对应截齿和刀杆尾部所承受的应力效应范围增加10 。因此,为了避免截齿脱落或松动的问题,需要采取合理有效的手段避免解决刀杆尾部受力较大的冲击。2.2截齿应变仿真结果对掘进机截齿截割煤岩层的工况，即截齿受到煤岩层冲击不同时刻的应变情况进行仿真分析，具体分析的时刻点包括受到冲击后的0.3 ms0.4ms、0.5 m s和0.6 ms的位移变化进行仿真分析。仿真结果如图4所示：如图4 所示，左侧为圆柱安装孔约束下截齿的位移变化；右侧为椭圆安装孔约束下的位移变化。分析可知：在不同冲击时刻下，截齿头部的应变呈现先增大后减小的变化趋势；而对于圆柱孔约束的截齿而言，刀杆尾部的变形呈现先增大后减小的变化趋势；(a)(6)(c)()()()()0200E-03.400E-03.600E-03.800E-03.100E03.300E-03.500E-03.700E03.900E-03图4截齿在不同冲击时间下位移变化仿真结果对于椭圆孔约束的截割而言，刀杆尾部的变现呈现一直增加的变化趋势，且应变始终大于圆形孔约束安装方式下的应变。3结结论掘进机为煤矿综采工作面的关键设备，其主要任务是完成巷道的掘进任务。从某种程度上讲，掘进机截割头尤其是截齿的性能对于整机截割的安全性和生产效率的影响较大。因此，设计性能最佳的截齿，包括截齿的材料选型以及安装的约束方式尤为重要。本文基于ANSYS数值模拟仿真软件对截割不同安装约束下的应力和应变情况进行仿真分析，并总结如下：1)截齿椭圆安装孔对应其所承受的应力大于圆柱安装孔所承受的应力；而且随着冲击时间地增加，对应截齿和刀杆尾部所应力效应范围增加。椭圆孔约束的截割而言，刀杆尾部的变化呈现一直增加的变化趋势，且应变始终大于圆形孔约束安装方式下的应变。2)为解决截齿脱落或松动的问题，应尽可能减小截齿本身的应变和应力值，即采用圆形孔约束方式为适宜。参考文献1张艳林，闫炳雷，陈，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，2 0 13，3 0(2）：7 4-7 7.2高春花，赵东劲.纵轴式掘进机截齿排列及制作方法的探讨J.煤炭技术,19 9 8(1):5-8.3张强，聂国强.重型掘进机截齿失效机理与耐磨性改进研究J.热加工工艺，2 0 13,4 2(14）：2 3-2 6.4孙汝继，王水生，王海舰.掘进机截齿磨损程度分析及识别方法J.工矿自动化,2 0 16,4 2（12)：6 8-7 1.5王晓靖.对煤巷掘进机截齿分布的看法J.煤炭技术，2 0 0 3,2 2(6):11-13.6王学成，闫献国，董良.深冷回火处理对掘进机截齿齿尖硬度的影响研究J.煤炭科学技术，2 0 19,4 7(6)：4 5-4 9.7李烈，江红祥.高压水射流辅助掘进机截齿截割实验研究J.机械设计与制造，2 0 2 1（4）：7 8-8 1.上接第6 1页）Studv of the(编辑：王婧）上接第5 9 页E上接第5 7 页（编辑：王慧芳）64第3 8 卷机械管理开发5魏新利，张海红，王定标，等.水力旋流器流场的数值模拟研究J.热科学与技术，2 0 0 5（2)：4 5-4 6.Effect of Parameter Changes on the Flow Field of HydrocyclonesGuo Dandan(Shanxi CokingCoal Huozhou Coal Power Sanjiaohe Coal Mine,Hongtong SShanxi 031400,China)Abstract:In order to further improve the sorting effect of hydrocyclones,in addition to optimising their structural parameters,theiroperating process parameters also need to be optimised.Based on a brief overview of the basic structure and working principle ofhydrocyclones,the study focuses on the influence of the column height in the structural parameters and the feed flow rate in the operatingparameters on the flow field characteristics of hydrocyclones.The conclusions obtained can guide the optimal design of the hydrocyclonestructure and process parameters.Key words:coal processing plant;hydrocyclone;feed flow rate;column height;air columnxperiment and Example Analysis of Coal Mine Ventilation Fan Frequency ConversionCharacteristicsGuoQuanwu(Yangquan Coal Industry(Group)Pingding Dongsheng Xingyu Coal Industry Co.,Ltd.,Yangquan Shanxi045000,China)Abstract:In order to further improve the efficiency of the ventilation fan and ensure that the actual working conditions of the ventilationfan meet the requirements of the air volume at the working face,the energy-saving operation of the ventilation fan is realized.On the basisof a brief overview of its structural composition and variable speed regulation,a special ventilator performance test device and supportingtest instruments are used to grasp the variable speed characteristics of the ventilator at the theoretical level,and to verify the variable speedcharacteristics of the ventilator based on examples.Key words:ventilation fan;frequency control;blade mounting angle;frequency;ventilation efficiency8张鑫，高庆利，李旭，等.岩石裂隙对掘进机截齿截割破岩的影响J.矿业研究与开发，2 0 2 1,4 1（3）：12 6-13 0.9籍超越，吕凯波，袁红兵，等.考虑磨损的掘进机截齿割煤动力学分析J.矿业研究与开发，2 0 18，3 8（4）：10 0-10 3.10张梦奇.基于截齿轨迹确定掘进机截割头运动速度研究J.煤炭科学技术，2 0 12,4 0（8）：7 1-7 4.he MountingConstraints of Cut-Off TeethDynamics of the Mounting Constraints ofSun Zengle(JinnenggHolding(Group Madaotou Coal Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037000,China)Abstract:Based on CAD and ANSYS software,the numerical simulation software of cut-off teeth of roadheader was established and thestress and strain of cut-off teeth at different impact moments were compared with the stress and strain of cut-off teeth at the head and thetail of cutter bar respectively,and the corresponding dynamic performance under different installation constraints of cut-off teeth wasobtained,so as to lay the foundation for the subsequent improvement of safety and reliability of cut-off teeth.Key words:roadheader;cut-off section;cut-off tooth;cutterbar tail;dynamic characteristicsSimulation Study on the Force of Double Telescopic Column of Hydraulic Support underImpact LoadLiang Kaijie(Huozhou Coal and Electric Group Xinju Coal Machinery Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,HuozhouShanxi 031400,China)Abstract:The force situation of double telescopic column is explained,and then the simulation model construction and simulation test arecombined with the example of ZY8640/2550/5500 type cover hydraulic bracket,and finally the force simulation situation of doubletelescopic column under impact load is discussed in order to expect to improve the safety and reliability of hydraulic bracket support inunderground.Key words:double telescopic column;impact load;simulation analysis