夹矸煤层条件下螺旋叶片磨损失效数值模拟研究

赵丽娟; 赵宇迪; 金鑫; 王岩

摘要：以MG400/951-WD新型采煤机螺旋滚筒为工程对象,利用Pro/Engineer分别建立螺旋滚筒与含夹矸煤岩的三维实体模型,并将耦合模型导入到ANSYS软件中进行相关的前处理设置.分别设置齿尖合金头、齿体、筒毂和螺旋叶片的密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度等材料属性;以杨村煤矿含夹矸煤层为取样对象,通过试验分别测得了煤和夹矸的密度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度和坚固性系数等物理、力学性质,完成对耦合模型材料属性的设置.分别定义含夹矸煤岩和螺旋叶片的本构模型为096_BRITTLE_DAMAGE和003_PLASTIC_KINEMAT-IC,通过关键字ADD_EROSION分别对含夹矸煤岩与螺旋叶片定义失效,用以表征煤颗粒被截落与螺旋叶片的磨损;基于实际工况,定义采煤机牵引速度为8 m/min,螺旋滚筒转速为60 r/min的初始运动状态,通过关键字DATABASE_RCFORC设置求解结果的输出,将最终的K文件导入LS-DYNA/SOLVER求解器进行求解.通过显示动力学仿真求解得到了螺旋叶片的磨损域、应力云图、工作载荷谱及总磨损体积等,结果表明:螺旋叶片的磨损主要集中在叶片的尾端及外缘部分,且叶片尾端磨损最为严重,这与实际工况下叶片的磨损情况相一致.这主要是由于堆积于叶片尾端的煤堆在被叶片推挤时,会产生较大的摩擦力,磨屑脱落产生犁沟状磨损带;同时螺旋滚筒截割过程中产生的非线性冲击载荷会使其产生较大的振动,导致齿座下端的叶片外缘部分与含夹矸煤岩发生接触,造成部分附加磨损.提取不同时刻螺旋叶片的磨损体积并利用Matlab软件拟舍得到了螺旋叶片磨损体积的变化趋势,发现螺旋叶片的磨损量随工作时间逐渐增大,但磨损速率随工作时间逐渐减小,这主要是磨损表面微观轮廓不断变化引起的,与不同时刻磨损域的扩展情况相一致.利用Matlab软件对螺旋叶片的磨损轨迹进行拟合,获得了螺旋叶片的磨损轨迹方程.