单位文秘网 2021-08-31 09:06:35 点击: 次
摘要:为了完善煤矿掘进机的厂内实验系统,对实验台前端的假岩壁进行不同性能的取样,本文通过截齿对假岩壁截割的模拟实验,应用LS-DYNA建立柔性体截齿实体模型,根据无网格光滑质点动力学理论构建岩壁的本构模型。通过对三种坚固性系数岩壁截齿模拟,得到截齿硬质合金头处的应力变化及其统计值;模拟结果表明:齿体硬质合金头的应力集中较严重,当9< <13时,对应的应力最大值为355~645MPa之间,满足强度要求,损坏由疲劳破坏所致。
关键词:实验台;假岩壁;截齿;模拟
前言
研究岩壁截割时截齿的失效原因与破坏机理,现设计出一套由假岩壁、承载板和引桥等组成的实验系统,其结构如图1所示。为了搞清截齿截割岩壁过程的受力情况、了解其强度特征,将掘进机置于试验系统中进行截割模拟实验,本文将利用柔性体材料模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)建立掘进机截齿的实体模型,利用无网格光滑质点动力学SPH理论,建立截齿截割工况模型。通过LS-DYNA对截齿截割不同硬质岩壁的截割过程进行数值模拟[1-3],得到截齿硬质合金头处的应力变化及其统计值,并对模拟结果进行分析,为研究截齿截割岩壁的工况、强度提供一种新的手段和方法。
图1.掘进机实验台模型 图2.截齿有限元模型 图3.截齿和岩壁有限元模型
1.掘进机截割假岩壁力学模型的建立
1.1 截齿模型
截齿由齿体与硬质合金头两部分组成。齿体为42CrMo钢,材料弹性模量为212 GPa,泊松比为0.28,密度为7850 kg/m3;硬质合金头材料为YG系列硬质合金[4],材料弹性模量为600 GPa,泊松比为0.22,密度为14600 kg/m3。在LS-DYNA中对截齿进行建模,采用3D Solid 164单元类型和柔性体材料模型(MAT_PLASTIC_KINEMATIC)建立的截齿的有限元模型如图2所示。截齿和岩壁的有限元整体模型如图3所示。
1.2 岩壁本构模型
岩壁模型是利用光滑质点动力学SPH理论建立的模型[5-6],可以简单而精确地实现复杂的本构行为,SPH是用插值函数给出量场在一点处的核心估计值,将连续介质动力学的守恒定律由微分方程形式转换为积分形式,进而转换为求和。
SPH方法中,质点近似函数定义为: ;核函数W使用辅助函数 进行定义: ;这里d是空间维数,h是光滑长度,光滑长度随时间和空间变化。SPH中最常用的光滑核是三次B-样条,定义为:
(1)
这里u是归一化常量,由空间维数确定。所以选取岩壁材料模型13,含失效的弹塑性材料(MAT_ISOTROPIC_ELASTIC_FAILURE),其岩壁基本参数为:剪切模量为6910MPa,体积模量为10.5GPa,塑性强化模量为150 MPa,泊松比为0.23,塑性失效应变为0.06。
2.截齿截割不同硬质岩壁时的截齿强度分析
为计算截齿截割岩壁时截齿硬质合金头应力情况,取硬质合金头处为分析点,对不同硬度(用坚固性系数 表示)岩壁下截齿截割岩壁的过程进行模拟。
截齿的截割速度为80m/min,切削厚度为170mm。模拟时间为25s。利用LS-DYNA对所建立的模型进行模拟[7],得到 为9、10、13时刨刀硬质合金头连接部位的产生的应力变化曲线分别如图4a、34b、4c所示。
(a) (b) (c)
图4 截齿截割不同硬度岩壁的应力曲线
设模拟中截齿的第 个受力为 ,整个截割过程( 个样本)的均值 、均方差 、变差系数 的计算方法如下:
(2)
(3)
(4)
应用matlab编写数据整理程序[8],输出截割连接部分析点的应力统计结果见表1。模拟结果表明,随岩壁硬度增加,截齿合金头处应力均值加大,应力的最大值在375~675MPa之间;因截割产生应力具有随机性,使应力最小值非单调递增;截割三种硬度岩壁时,截齿硬质合金头的应力波动较大(为0.576~0.839),而 =10时的变差系数大是由于载荷能量积聚大于平均载荷峰值、应力相对均值离散程度较高所致;
表1 截齿截割不同坚固性系数岩壁时合金头应力统计表
数据统计值 =9
=10
=13
最大值/MPa365.8736472.7313625.2354
最小值/MPa10.67349.289314.9341
均值/MPa80.4542102.815144.5469
变差系数0.66130.839320.5762
均 方 差53.201486.294283.2848
由以上可知,截齿硬质合金头最大工作应力远小于材料的许用应力(4560MPa),排除因强度因素失效的可能性,由于截齿硬质合金头处长时间产生较大随机应力,齿尖磨损变钝,判定疲劳失效。
3.结论
(1)本文在掘进机试验系统中模拟截齿截割岩壁的过程、模拟结果表明:该截齿的受力随截割硬度的增加而迅速增加,当9< <13时,对应的应力最大值为375~675MPa之间,远小于材料的许用应力,而该截齿的损坏是由齿尖磨损变钝导致的疲劳失效,因此应降低截齿工作过程的不必要冲击。
(2)该研究及其所得结论与目前实际工作状况基本相符,对分析截齿的强度、探究截齿损坏激励、改进设计做了理论铺垫。通过实验台岩壁性质的选择可进行其他不同截齿截割实验、为截齿的地面实验提供依据和方法。
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