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牵引速度对截齿截割节理煤岩性能影响模拟研究
摘要：为研究截齿截割含节理煤岩的截割性能，采用CREO及ABAQUS软件建立有限元耦合模型进行数值模拟，分析牵引速度变化对截齿截割性能的影响规律。结果表明：截齿截割节理煤岩过程中，煤岩裂纹主要集中在煤岩与节理面交汇处，节理具有引导煤岩破碎的作用；牵引速度增加，截齿的截割力均值和峰均值皆增加，块煤率增大而比能耗降低。该研究可为提高采掘机械应对复杂地质条件的设计与研发提供一定的理论依据。
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煤岩是经过长期而复杂的地质演变形成的，其内部呈现非均质状态，节理则是最常见的内部结构特征之一。在采掘工程中，截齿作为最主要的破碎煤岩工具得到广泛的应用，其牵引速度会对工作机械的破碎能力、装煤效率和工作效率产生直接的影响，因此研究截齿牵引速度对其截割节理煤岩性能的影响具有较强的实际意义。国内外学者对于截齿破岩的研究很广泛，但对于截齿截割含节理煤岩的研究仍很局限。本文利用ABAQUS软件进行仿真模拟，分析截齿截割历程，研究不同牵引速度下截齿截割节理煤岩的性能。
1、截齿与节理煤岩仿真模型的建立
截齿的结构形式是为了适应煤岩工作过程而进行设计和制造的，通常由硬质合金头与截齿齿身组成。利用CREO分别建立硬质合金头与齿身的三维模型，并进行装配，同时按照截割过程中的煤岩形态建立煤岩的三维模型。通过有限元软件ABAQUS进行数值模拟过程中，需要对煤岩和截齿的相关参数进行设置。针对含贯通节理煤岩，由于煤岩和节理存在差异，需要拆分进行材料属性定义，根据文献[4]设置煤岩及节理参数。截齿在截割节理煤岩时，不考虑截齿在截割过程中的应力分布及变化，故将截齿和合金头设置为刚体，截齿与煤岩相互作用的仿真模型如图1所示。
图1 截齿-煤岩模型
2、数值模拟结果与分析
为了深入探讨不同牵引速度下截齿的截割性能，设定模拟方案的参量如下：截齿安装角β=45°、滚筒转速n=90 r/min、节理倾角α=30°、节理间距d=40 mm，调整牵引速度v为1 m/min、1.5 m/min、2 m/min、2.5 m/min、3 m/min，并进行仿真分析，得到不同牵引速度下截齿截割力变化曲线图、煤岩应力分布云图以及煤岩破碎应变图，如图2、图3和图4所示。
图2 不同牵引速度下截齿截割力变化曲线
图3 不同牵引速度下煤岩应力云图
图4 不同牵引速度下煤岩破碎应变图
由图2可知，随着牵引速度提升，截齿的截割力均值及峰值均值呈增大的变化趋势。在截齿破碎煤岩的过程中，当煤岩受到外部承载压力作用时，煤岩结构会产生形变，随着载荷增大，煤岩的形变随之变大，当形变达到煤岩的极限应变时，煤岩内部出现裂纹，发生破碎。由图3和图4可知：截齿在截割节理煤岩过程中，煤岩所受应力载荷主要在煤岩节理面处延伸扩展，形成变形或者破碎区域，但应力区域不均匀，节理处产生的应力较大。节理煤岩在受到载荷时产生裂痕与煤岩的节理面交汇，导致大量煤屑崩落，且随着截割厚度增加而减少，这表明煤岩节理具有引导煤岩破碎作用。
根据数值模拟结果，得到各项截割性能数据，如表1所示。在牵引速度为1 m/min的条件下，截齿的比能耗较大，其值为1.17 k W·h/m3，而截割力均值处于最小水平，在牵引速度为1.5 m/min的条件下，截齿的比能耗最大，其值为1.25 k W·h/m3，而截割力均值相对较小，说明在这2种牵引速度条件下，截齿的截割有效性相对较低；在牵引速度为3 m/min的条件下，截齿的比能耗相对较小，其值为1.16 k W·h/m3，而截割力均值处于最大水平，说明此工况截齿的截割有效性高。截齿所能承受的截割深度必须适当控制，若过深的截割厚度可能引起齿体以及齿座侵蚀煤岩，进而导致齿座与齿体产生过度磨损。除此之外，过大的截割厚度可能进一步加剧采煤机在大负荷环境中的运行压力，从而缩减其使用年限。因此，在设计采掘工作机构时，应尽量避免这种低截割效率的情况，特别是在处理节理煤岩时，应当选择适宜的截割厚度标准，有助于进一步提升截割过程中的块煤率以及整体截割效率。
表1 不同牵引速度下截齿截割性能指标
通过表1数据，得到截割力均值、截割力峰值均值、载荷波动系数和块煤率相对于牵引速度的趋势折线图，如图5所示。
图5 不同牵引速度下截割性能
由图5(a）可知，随着牵引速度提高，截齿截割煤岩的体积不断增加，截割力均值和峰值均值均呈现增加趋势。在设置的条件范围内，在牵引速度为1 m/min的条件下，截割力均值及其峰值均值均处于最低水平，分别是1.36 k N和2.11 k N；在3 m/min的牵引速度时，这2个值达到最高，分别为4.80 k N和5.83 k N。由图5(b）可知，块煤率随牵引速度增加而增加。截齿截割贯通节理煤岩的过程中，会形成煤岩大块崩落，增大块煤率，导致比能耗降低，形成比能耗波动变化。
3、结语
(1）截齿截割节理煤岩过程中，煤岩产生裂纹主要集中在煤岩与节理面交汇处，并向外延伸扩展，节理处产生的应力大，节理具有引导煤岩破碎的作用；
(2）提高牵引速度，截齿的最大切削厚度逐步增加，截割力均值和峰值均值呈上升趋势，最大值分别为4.80 k N、5.83 k N，同时块煤率增加而比能耗下降。
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基金资助:国家自然科学基金项目(52204131); 黑龙江省首批“揭榜挂帅”科技攻关项目(2021ZXJ02A01);
文章来源:徐鹏,任春平,吴卫东,等.牵引速度对截齿截割节理煤岩性能影响模拟研究[J].煤矿机械,2024,45(11):31-34.
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2025-07-07我要评论
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2024-11-01
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