CN108256199B - 采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩瞬态载荷提取方法 - Google Patents

采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩瞬态载荷提取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩瞬态载荷提取方法，包括：获取含黄铁矿结核煤岩的物理力学性能参数和采煤机的结构参数；装配采煤机三维实体装配模型；建立采煤机刚柔耦合虚拟样机模型；建立含黄铁矿结核煤岩的煤壁模型；建立采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核离散元仿真模型，并提取采煤机螺旋滚筒三向力及三向力矩曲线；将三向力及三向力矩曲线导入至采煤机刚柔耦合虚拟样机模型中进行仿真，获得采煤机螺旋滚筒的三向时间‑位移曲线和三向时间‑角速度曲线；将三向时间‑位移曲线和三向时间‑角速度曲线加载到采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核离散元仿真模型中进行截割仿真，获得采煤机螺旋滚筒的三向力载荷的瞬时变化曲线。

Description

采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩瞬态载荷提取方法
技术领域
本发明属于采煤设备技术领域，具体涉及采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩瞬态载荷提取方法。
背景技术
螺旋滚筒作为采煤机截割煤壁的工作机构，其载荷对于采煤机的可靠性有着重要的影响。尤其是当煤层中含有较硬的硫化铁结核时，采煤机螺旋滚筒受到较大的冲击载荷，提取截割含硫化铁结核煤层螺旋滚筒受到的载荷，对采煤机螺旋滚筒的强度设计及可靠性设计及研究截齿断裂、磨损等方面有实际意义。目前，对于采煤机螺旋滚筒载荷的提取方法主要有以下几种：1、运用现有的计算公式，计算出螺旋滚筒每个截齿所受到的载荷，集中到滚筒的质心上，再采用MATLAB编写程序，得到采煤机滚筒的载荷。该方法涉及的参数较多，并且参数取值范围较大，不可避免会产生较大的人为误差。2、采用有限元分析软件LS-DYNA模拟采煤机滚筒的载荷。LS-DYNA中煤的材料为黏弹塑性材料，单元失效后会自动移除，因此只能反映截割力对滚筒的作用载荷，对于截下来的煤，由于其自动移除，不能反映装煤反力力对螺旋滚筒的影响。3、采用物理实验的方法进行实际测量。物理测量方法需建立采煤机加载实验台，要制造出实验滚筒，购买相应的传感器以及连接测试线路。由于实际的物理实验，煤壁是通过一定的比例将水泥和沙子混合，凝固后形成具有一定强度的煤壁，但若想浇筑含硫化铁结核的煤壁，则会相当耗时、费力且不经济。4、利用离散元建模方法，中国专利CN107066743A公开了一种基于离散元法的采煤机螺旋滚筒载荷的提取方法，该种方法适用于采煤机螺旋滚筒截割纯煤煤岩载荷提取，并不适用于黄铁矿结核煤岩，此外，该方法也不能用于当截割部变形或产生位置变化、滚筒角速度、角加速度的变化时对滚筒载荷的影响研究。综上，需要开发一种针对黄铁矿结核煤岩的采煤机螺旋滚筒截割瞬态载荷的提取方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩瞬态载荷提取方法，该方法实现了含黄铁矿结核煤岩模型的建立，充分考虑了采煤机螺旋滚筒受到截割力作用使得截割部发生变形，能够判断采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核煤岩滚筒的受力情况。本发明的技术方案为：
采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩瞬态载荷提取方法，包括以下步骤：
(1)获取含黄铁矿结核煤岩的物理力学性能参数和采煤机的结构参数；
(2)根据所述采煤机的结构参数，采用Pro/E建立采煤机各个零部件的三维实体模型，再装配成采煤机三维实体装配模型，所述各个零部件的三维实体模型中包括采煤机螺旋滚筒三维实体模型；并将采煤机截割部壳体、行星架和行星轴的三维实体模型通过Pro/E和ANSYS的接口分别导入到ANSYS中，在ANSYS中生成截割部壳体、行星架和行星轴这三个柔性件的模态中性文件；
(3)根据所述采煤机三维实体装配模型及三个柔性件的模态中性文件，在ADAMS中建立采煤机刚柔耦合虚拟样机模型；
(4)根据所述含黄铁矿结核煤岩的物理力学性能参数，利用EDEM建立含黄铁矿结核煤岩的煤壁模型；
(5)将所述采煤机螺旋滚筒三维实体模型转化为IGES格式，导入到所述含黄铁矿结核煤岩的煤壁模型中，建立采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核离散元仿真模型，并通过所述采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核离散元仿真模型提取采煤机螺旋滚筒三向力及三向力矩曲线；
(6)将所述采煤机螺旋滚筒三向力及三向力矩曲线导入至所述采煤机刚柔耦合虚拟样机模型中进行仿真，获得采煤机螺旋滚筒的三向时间-位移曲线和三向时间-角速度曲线；
(7)通过API程序将所述采煤机螺旋滚筒的三向时间-位移曲线和三向时间-角速度曲线加载到所述采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核离散元仿真模型中，进行截割仿真，获得采煤机螺旋滚筒的三向力载荷的瞬时变化曲线。
进一步地，所述步骤(1)中含黄铁矿结核煤岩的物理力学性能参数包括：煤岩密度、煤岩天然含水率、煤岩抗拉强度、煤岩抗压强度、煤岩坚固性系数、煤岩弹性模量、煤岩泊松比、煤岩凝聚力、煤岩内摩擦角。
进一步地，所述步骤(3)中建立采煤机刚柔耦合虚拟样机模型的具体方法为：利用pro/E和多体动力学软件ADAMS的接口，将步骤(2)获得的采煤机三维实体装配模型导入到ADAMS中，建立采煤机虚拟样机模型；再将截割部壳体、行星架及行星轴的模态中性文件分别导入到采煤机虚拟样机模型中，替换其截割部壳体、行星架及行星轴，得到采煤机刚柔耦合虚拟样机模型。
本发明的有益效果在于：本发明实现了含黄铁矿结核煤岩模型的建立，充分考虑了采煤机滚筒受到截割力作用使得截割部发生变形螺旋滚筒转速的变化，能够判断采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核煤岩滚筒的受力情况。通过本发明的方法，可得到不同硬度煤、不同形状及位置的黄化铁结核，不同的结构滚筒以及不同滚筒转速、不同牵引速度、不同截深的采煤机滚筒瞬态的载荷，是一种快速、经济、降低劳动强度的滚筒截割含黄化铁结核载荷提取方法。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的采煤机刚柔耦合虚拟样机模型。
图2是本发明具体实施方式的含黄铁矿结核煤岩的煤壁模型。
图3是本发明具体实施方式的采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩的三向矢量合力曲线图。
图4是本发明具体实施方式的采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩的三向时间-位移曲线，其中4-a表示x方向位移曲线，4-b表示y方向位移曲线，4-c表示z方向位移曲线。
图5是本发明具体实施方式的采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩的三向时间-角速度曲线，其中5-a表示x方向角速度曲线，5-b表示y方向角速度曲线，5-c表示z方向角速度曲线。
图6是本发明具体实施方式的采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩的三向力载荷的瞬时变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明具体实施例提供一种采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩瞬态载荷提取方法，采用的采煤机型号为MG400/951-WD型，采用的含黄铁矿结核煤岩的物理力学性能参数如表1所示，其中煤岩的坚固性系数为f1.9，黄铁矿结核的坚固性系数为f8.4，颗粒接触模型参数及煤物理力学性能参数如表2所示，所述提取方法包括以下步骤：
(1)获取含黄铁矿结核煤岩的物理力学性能参数和采煤机的结构参数，所述含黄铁矿结核煤岩的物理力学性能参数包括：煤岩密度、煤岩天然含水率、煤岩抗拉强度、煤岩坚固性系数、煤岩抗压强度、煤岩弹性模量、煤岩泊松比、煤岩凝聚力、煤岩内摩擦角，如表1所示。
表1 含黄铁矿结核煤岩的物理力学性能参数
Figure BDA0001544879790000031
表2 颗粒接触模型参数及煤物理力学参数
Figure BDA0001544879790000032
(2)根据采煤机的结构参数，采用Pro/E建立采煤机各个零部件的三维实体模型，这些零部件包括电动机、牵引部、牵引链、截割部减速器、摇臂、螺旋滚筒、底托架、滑靴、调高油缸、调斜油缸等，再将各个零部件模型装配成采煤机三维实体装配模型；并将采煤机截割部壳体、行星架和行星轴的三维实体模型通过Pro/E和ANSYS的接口分别导入到ANSYS中，在ANSYS中生成截割部壳体、行星架和行星轴这三个柔性件的模态中性文件。
(3)根据采煤机三维实体装配模型及柔性件的模态中性文件，在ADAMS中建立采煤机刚柔耦合虚拟样机模型，具体建模方法为：利用pro/E和多体动力学软件ADAMS的接口，将步骤(2)获得的采煤机三维实体装配模型导入到ADAMS中，建立采煤机虚拟样机模型；再将截割部壳体、行星架及行星轴的模态中性文件分别导入到采煤机虚拟样机模型中，替换其截割部壳体、行星架及行星轴，得到采煤机刚柔耦合虚拟样机模型，如图1所示。
(4)根据含黄铁矿结核煤岩的物理力学性能参数，利用EDEM建立含黄铁矿结核煤岩的煤壁模型；如图2所示，具体建模方法为：根据表1的数据及离散元理论，标定得到煤与煤的Hertz-Mindlin with bonding模型参数、结核与结核的Hertz-Mindlin with bonding模型参数、结核与煤的Hertz-Mindlin with bonding模型参数，如表2所示，Hertz-Mindlinwith bonding模型参数包括：法向刚度、切向刚度、法向应力、切向应力；在离散元软件EDEM中设置好煤及黄铁矿结核的剪切模量、密度、泊松比、动摩擦系数、静摩擦系数、恢复性系数、煤与煤的Hertz-Mindlin with bonding模型参数、黄铁矿结核与黄铁矿结核的Hertz-Mindlin with bonding模型参数、黄铁矿结核与煤的Hertz-Mindlin with bonding模型参数后，采用快速填充的方法建立含黄化铁结核的煤壁模型；图2是含黄铁矿结核煤岩的煤壁模型，煤岩中含有3个250*150黄化铁结核，煤的材料设置显示为矢量形式，包裹体的颗粒设置显示为球形。
(5)将采煤机螺旋滚筒三维实体模型转化为IGES格式，导入到含黄铁矿结核煤岩的煤壁模型中，建立采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核离散元仿真模型，根据工况设置采煤机螺旋滚筒转速为58r/min及牵引速度为10m/min，并在EDEM中设置固定时间步长为20％，设定目标存储时间间隔为0.01s，网格尺寸为最小颗粒半径的5倍，并进行仿真，仿真结束后提取采煤机螺旋滚筒三向力及三向力矩曲线。图3提供了采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩的三向矢量合力曲线图。
(6)将采煤机螺旋滚筒三向力及三向力矩曲线以样条形式导入至采煤机刚柔耦合虚拟样机模型中进行仿真，设置仿真时间与步骤(5)的仿真时间相同，时间步为0.01s，获得采煤机螺旋滚筒的三向时间-位移曲线(如图4所示)和三向时间-角速度曲线(如图5所示)。
(7)采用vc++2008编程开发了基于EDEM的API程序，该程序的作用是将ADAMS得到的螺旋滚筒的瞬时的时间-位移，三向时间-角速度加载到采煤机滚筒上，实现采煤机滚筒的位置及转角速度的瞬时变化。通过编写vc++头文件及源文件以及设置链接器等，进行编译并运行得到.EXE文件，启动EXE文件并打开EDEM的耦合接口，将采煤机螺旋滚筒的三向时间-位移曲线和三向时间-角速度曲线加载到采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核离散元仿真模型中，进行截割仿真，获得采煤机螺旋滚筒的三向力载荷的瞬时变化曲线，如图6所示。由图6及仿真过程可知，0～2.5s螺旋滚筒截割的是煤，三向载荷有一定的波动，主要是由于三向力在一定范围内呈不规则波动。这是由于参与截割的截齿位置、数量及其偏角都在随时间不断变化，且煤岩崩落没有规律，因此其所受各向阻力并不随滚筒转动具有周期性。2.5s以后螺旋滚筒截割到较硬结核，三向力出现了明显的波峰。由图4可以看出截割结核时三向力中截割阻力(z方向力)波动最大，呈现出较大的冲击载荷。截割结核对牵引阻力及侧向力影响不如截割阻力大。图4充分反应了螺旋滚筒截割含黄铁矿结核的瞬态三向力情况。
应当理解的是，对本领域普通技术人员而言，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应落入本发明要求的保护范围内。

Claims (3)

1.采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩瞬态载荷提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取含黄铁矿结核煤岩的物理力学性能参数和采煤机的结构参数；
(2)根据所述采煤机的结构参数，采用Pro/E建立采煤机各个零部件的三维实体模型，再装配成采煤机三维实体装配模型，所述各个零部件的三维实体模型中包括采煤机螺旋滚筒三维实体模型；并将采煤机截割部壳体、行星架和行星轴的三维实体模型通过Pro/E和ANSYS的接口分别导入到ANSYS中，在ANSYS中生成截割部壳体、行星架和行星轴这三个柔性件的模态中性文件；
(3)根据所述采煤机三维实体装配模型及三个柔性件的模态中性文件，在ADAMS中建立采煤机刚柔耦合虚拟样机模型；
(4)根据所述含黄铁矿结核煤岩的物理力学性能参数，利用EDEM建立含黄铁矿结核煤岩的煤壁模型；
(5)将所述采煤机螺旋滚筒三维实体模型转化为IGES格式，导入到所述含黄铁矿结核煤岩的煤壁模型中，建立采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核离散元仿真模型，并通过所述采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核离散元仿真模型提取采煤机螺旋滚筒三向力及三向力矩曲线；
(6)将所述采煤机螺旋滚筒三向力及三向力矩曲线导入至所述采煤机刚柔耦合虚拟样机模型中进行仿真，获得采煤机螺旋滚筒的三向时间-位移曲线和三向时间-角速度曲线；
(7)通过API程序将所述采煤机螺旋滚筒的三向时间-位移曲线和三向时间-角速度曲线加载到所述采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核离散元仿真模型中，进行截割仿真，获得采煤机螺旋滚筒的三向力载荷的瞬时变化曲线；
所述API程序是指是将ADAMS得到的螺旋滚筒的瞬时的时间-位移，三向时间-角速度加载到采煤机滚筒上，实现采煤机滚筒的位置及转角速度的瞬时变化，通过编写vc++头文件及源文件以及设置链接器，进行编译并运行得到.EXE文件，启动EXE文件并打开EDEM的耦合接口，将采煤机螺旋滚筒的三向时间-位移曲线和三向时间-角速度曲线加载到采煤机螺旋滚筒截割含硫化铁结核离散元仿真模型中，进行截割仿真，获得采煤机螺旋滚筒的三向力载荷的瞬时变化曲线。
2.根据权利要求1所述的采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩瞬态载荷提取方法，其特征在于，所述步骤(1)中含黄铁矿结核煤岩的物理力学性能参数包括：煤岩密度、煤岩天然含水率、煤岩抗拉强度、煤岩抗压强度、煤岩坚固性系数、煤岩弹性模量、煤岩泊松比、煤岩凝聚力、煤岩内摩擦角。
3.根据权利要求1所述的采煤机螺旋滚筒截割含黄铁矿结核煤岩瞬态载荷提取方法，其特征在于，所述步骤(3)中建立采煤机刚柔耦合虚拟样机模型的具体方法为：利用pro/E和多体动力学软件ADAMS的接口，将步骤(2)获得的采煤机三维实体装配模型导入到ADAMS中，建立采煤机虚拟样机模型；再将截割部壳体、行星架及行星轴的模态中性文件分别导入到采煤机虚拟样机模型中，替换其截割部壳体、行星架及行星轴，得到采煤机刚柔耦合虚拟样机模型。
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