镐形截齿与刀型截齿的数值模拟比较研究

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现代化滚筒采煤机的截齿主要有镐形截齿和刀
型截齿.为了能够更直观地比较两者的性能,根据
李晓豁的刀形截齿截割试验与分析中的试验台进行
两种刀具的截割仿真,从而对比两种刀具的截割性
能,这对采煤机截齿安装有指导意义.
王春华对截齿截割作用下的煤体变形破坏规律
立的镐形截齿煤壁和刀型截齿煤壁均为 ６ 万个颗粒
认为切削力和其他参数的关系见式 (
１):
截割线速度均为 ３ m/s.镐形截齿煤样破碎过程和
型,被西方媒体报道并接受后,该模型被采用,他
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s
２
φt
R＝
τh
(
n ＋１ １－s
i
n φt －γ －φ)
式中:R ———切削力,N;
(
１)
为了很好地比较两种刀具的性能优劣,需控制
本次数值模拟仿真对比了两种刀具的优劣,对后续的采煤机安装截齿有一定的指导意义.
关键词 镐形截齿 刀形截齿 数值模拟 颗粒流 PFC３D
中图分类号 TD４２１ 文献标识码 A
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较大,故牵引阻力比试验值偏大,但不影响其一般
(
１)基于镐形截齿和刀型截齿的外形及制造工
艺,镐形截齿受到的截割力及合力更大一些.
(
２)在截割过程中,镐形截齿的截割更加充分
(
()
()
()
e)
＝
＝
F
re ×F e )＋ M e }
∑F ,M
∑ {(
———界面中心合力,N;
式中:F
()
F e ———作用于假想面离散单元的力,N;
———界面中心的合力矩,Nm;
M
re ———作用于 假 想 面 离 散 单 元 的 力 到 中 心
的距离,m;
(
e)
———作用 于 假 想 面 离 散 单 元 的 力 矩,
形截齿截割煤样在行进中不断累积煤样颗粒,逐渐
形成密实核,且三向力不断增大至形成峰值,直至
密实核破碎,在密实核脱落的瞬间,三向力突然减
镐形截齿与刀型截齿的数值模拟比较研究
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小,并逐步降低至峰谷.通过密实核不断累积破碎
为截割煤壁的经过.
西松认为刀具对煤岩体的剪应力是导致煤岩体
图 １ 镐形截齿煤样破碎过程
破碎的主要原因,由于本数值模拟近似于直线,故
可以符合该定义,并和岩石力学理论相符.
离散元法是由 Cunda
l
l在 ２０ 世 纪 ７０ 年 代 所 研
究发展出来的,由此理论而衍生出来的颗粒流软件
PFC３D 作为一种新的 数 值 模 拟 技 术,其 优 点 在 于 效
行模拟仿 真, 得 出 了 截 割 阻 力 先 减 小 后 增 大 的 特
点.
煤自身具有较软、易碎的特性,而对煤岩体的
割煤体的模拟实验.李晓豁对刀形截齿进行了试验
截割过程是一 个 多 因 素 的 过 程. 截 齿 的 几 何 形 状、
研究,并总结了其规律;谢克淼对刀型截齿进行了
被截割煤体的力学性能和它们在截割过程中的作用
引用格式:喻龙,王义亮,杨兆建 镐形截齿与刀型截齿的数值模拟比较研究 [
J] 中国煤炭,２０１９,４５ (
３):６６－６９

YuLong, Wang Yi
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★ 煤炭科技 机电与信息化 ★
镐形截齿与刀型截齿的数值模拟比较研究
喻 龙１,２ 王义亮１,２ 杨兆建１,２
(
１
太原理工大学机械与运载工程学院,山西省太原市,０３００２４;
２
煤矿综采装备山西省重点实验室,山西省太原市,０３００２４)
摘 要 采煤机的镐形截齿和刀型截齿是采煤机截割过程中的重要组成部分,是研究截
是刀型截齿,其截割阻力比牵引阻力以及侧向力要
做比对得出以下结论:
大,并且镐形截齿的截割阻力大于刀型截齿的截割
阻力,且本次仿真和其试验数值十分接近,故本次
仿真分析符合实际操作.刀具截割煤岩体三向力试
验值见表 ２,刀具截割煤岩体数值仿真结果见表 ３.
表 ２ 刀具截割煤岩体三向力试验值
刀具类型
镐形截齿
刀型截齿
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２
Shanx
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图 ２ 刀型截齿煤样破碎过程
由图 １ 和图 ２ 可以看出,软件 PFC３D 显示破碎
优点在 于 Fl
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t－J
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n
t模 型 的 颗 粒 之 间 的 粘 结 结 构
的过程十分明显,对显示分析更有效用,对进一步
所用关系见式 (
２):
割数值模拟的过程中,设置镐形截齿和刀型截齿的
为片状模拟,能够抑制黏结破坏后颗粒的旋转,其
截割阻力/N
侧向力/N
牵引阻力/N
３０５２
９７５
７０２
５７９２
１６４３
６３７
表 ３ 刀具截割煤岩体数值仿真结果
刀具类型
镐形截齿
刀型截齿
截割阻力
/N
侧向力
/N
２３９７
７４８
５０７９
１７１１
牵引阻力 累积颗粒数
/N
/个
３９５４
１６８３
１１３７６３
９７８６２
由表 ２ 和表 ３ 可以看出,在截齿截割煤岩体的
率较高,并且对仿真颗粒的位移没有限制,但可以
破坏粘合 粒 子 块. 其 不 仅 能 模 拟 颗 粒 的 运 动 及 作
用,还能用于分析其中材料的力学性能.
在该软件 中,F
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Ｇ
J
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on
t联 结 模 型 使 用 较 为 常
见,也称为平直联结,其模型界面为一圆盘,其离
散程度由径向和周向的离散单元的数量来控制,其
度截割煤壁, 按 照 F
l
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t－J
i
on
t联 结 模 型 的 破 坏 准
则呈现破 碎 的 过 程, 并 分 别 记 录 其 三 向 力 的 波 动
轨迹.
镐形截齿的三向力曲线变化情况如图 ３ 所示.
由图 ３ 可 以 看 出, 镐 形 截 齿 截 割 煤 样 的 过 程
中,三向力呈现出相似的变化规律和波动曲线,镐
会有颗粒不断脱落的情况出现,此时会出现短暂的
中,截割受力逐步的变大,该过程产生的煤破碎颗
空载,此 刻 的 受 力 会 接 近 于 零, 在 靠 近 下 一 煤 壁
粒比较多,并呈现逐步扩展的趋势.在截割进行到
后,又会出现峰值的情况,周而复始.
一定程度后,煤壁产生大块的破碎颗粒组,刀具所
受载荷瞬间变小,此即为该峰值出现的原因,为一
０
３６,内摩 擦 角 为 ０
５２r
ad, 凝 聚 力 为 ０
５ MPa,
膨胀角为 １
６r
ad.
２ 数值仿真
２０ 世纪 ８０ 年代,日本专 家 西 松 做 出 截 割 力 学
模型,该模型严格按照库仑莫尔准则进行研究,并
其某些变量,只比较其三向力的变化情况.本次建
于 １９８２ 年在国际岩 石 力 学 杂 志 上 刊 登 了 该 力 学 模
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中国煤炭第 ４５ 卷第 ３ 期 ２０１９ 年 ３ 月
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条件、截割过程的环境及速度等因素都会直接或间
接地影响截割过程的结果.
１ 离散元法
M

.
N m
本次仿真所使用的煤壁模型参数为ห้องสมุดไป่ตู้下:密度
为 １４００ kg/m３ , 弹 性 模 量 为 ３ GPa, 泊 松 比 为
研究煤岩体破碎的过程更加有实际的意义.在此截
煤岩体截 割 步 长 为 １０６ , 软 件 运 行 １０５s
t
ep, 截 割
时间为 ０
１s,使镐 形 截 齿 和 刀 型 截 齿 以 恒 定 的 速
此,对截齿的两侧产生不平等的压迫,致使侧向力
在 X 轴上下 随 机 的 波 动, 且 其 均 值 约 为 零, 与 实
际情况贴近.截齿截割煤壁的过程中,偶尔会出现
过程与牵引阻力的破碎过程相似,所出现的几个峰
受力接近零的情况,因为煤壁颗粒在截割的过程中