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请问ls-prepost后处理中出现的各种数据结果的单位都怎么看呢？已有2人参与
如题，ansys ls dyna分析，使用LS SLOVER求解得到D3PLOT结果，导入ls prepost查看，里面的数据曲线图，不知道单位是什么？比如图1这种图。
另请问各位大神有木有详细的LS PREPOST后处理资料或者实例，有的话分享给师妹一点点哦！嘿嘿
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LS-PREPOST后处理
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-D3PLOT Loading an LS-DYNA d3plot file requires additional steps not necessary for loading other ...ANSYS分析步骤_中华文本库
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新建一个板材模型(以xoy 面为板材上表面向下拉伸0.84,再拉伸突出部位,抽
壳,0.84),一个对应于板材的支撑
加工-&cam_general-&mill_contour-&创建程序-&确定,确定-&球头铣刀ball_mill-&直径10-&创建几何体-&MILL_AERA-&创建工序-&ZLEVEL_CORNER-&切削层参数-&拐角-&所有刀路-&连接-&直接对部件进刀-&非切削运动-&进刀类型螺旋-&陡峭空间范围-&无-&刀轨设置中最大距离设为0.5或1-&后处理-&浏览器中查找-
&mill_3axis_Sinumerik_840D_mm-&生成NC 代码-&将G0替换为G00,G1替换为
G01,G2替换为G02
在D 盘根目录下得ansys 文件夹中,用程序exe 打开名为1的txt 文件生成X ,Y ,Z,T 的四个txt 文件,放入excel 中,全选,设置单元格格式,数值,将小数位数设为4-&去除z=0(包括与之对应的xy )-&z+5(选中目标--所有(整列)--单元格,在fx 中输入=E1+5,按ctrl+enter )-&添加0,0,30刀具初始位置至xyz 开始(如果工具头接触板材的距离突变太大,添加点位使之放缓)-&T 中以0.001为步时差(相比0.01求解时间
短)-&处理后将对应xyz 的数值放回txt 文档
准备工作ANSYS 分析
ANSYS 开始新建一个文
支撑导出的
igs 格式文件
和XYZT 四个
txt 文档单元创建
打开ANSYS 程序Simulation environment 选择ANSYS License 选择ANSYS LS-DYNA
Working Directory 点击Browse 选择自己创建的文件夹Run Preprocessor Element type add/edit/delete Add Thin shell 163Apply 3D solid 164OK Type 1 SHELL 163Option 设element formulation 为Belytschko-wong OK Close 实常数定义
Preprocessor Real constants Add Type 1 SHELL163OK OK Shear factor 5/6NO.of intergration 5Tkickness at node 1 0.84材料模型定义复制命令流,并按Enter 键执行MP,DENS,1,2700E-9MP,EX,1,55.94E3MP,NUXY,1,0.324TB,PLAW,1,,,7,TBDAT,1,153.6TBDAT,2,2.9TBDAT,3,0.198TBDAT,4,0EDMP,RIGI,2,7,7MP,DENS,2,7850E-9MP,EX,2,210E3MP,NUXY,2,0.29EDMP,RIGI,3,0,4MP,DENS,3,7850E-9MP,EX,3,210E3MP,NUXY,3,0.29导入支撑建模NC 代码及其处理T.txt/X .txt/ Y.txt/Z .txt 项目创建File Import 选择保存在此目录
下的支撑.iges 文件
打开OK 如果不是实体,导入以下命令流FLST,2,1,6,ORDE,1
VLSCAL,P51X, , ,00, ,1,1/FACET,NORML /REPLOT
支撑网格化Preprocessor Meshing MeshTool Element attribute 中选择
volumes Set 选中支撑OK Mat material number 选择2Type element typenumber 选择2 SOLID164OK Preprocessor Meshing MeshTool Areas 后 set 选择支撑成形区OK 4(网格尺寸)
Preprocessor Meshing MeshTool Mesh 中选择volume Shape 选中
tet free Mesh 选择支撑OK Close 提醒提示框创建板材Preprocessor Modeling Create Areas Rectangle By dimensions -70
70板材网格化
Preprocessor Meshing Mesh attributes Element type number 设为1 SHELL163Material number 设为1OK Preprocessor Meshing MeshTool Element attribute 选择areas Set 选择板材(或者填入板材所对应的面plot 选择area plotctrls 选择numbering 选择areas )OK Preprocessor Meshing MeshTool Areas 后set 输入板材所对应的面号OK 1.5(网格尺寸)Preprocessor Meshing MeshTool Mesh 中选择areas Shape 选中quad mapped Mesh 选择板材面OK 创建工具头Workplane Offset wp by increments Offset wp 输入0,0,30OK Preprocessor Modeling Create Volumes Sphere Solid sphere 0,0,5OK
工具头网格化Preprocessor Meshing MeshTool ElementAttribute 中选择volumes Set 选中工具头OK
Mat material number 选择3Type element typenumber 选择2 SOLID164OK
Preprocessor Meshing MeshTool Areas 后
set 选择工具头OK 1.5(网格尺寸)
Preprocessor Meshing MeshTool Mesh 中选择volume Shape 选中tet free Mesh 选择工具头OK 生成Part 号Preprocessor LS-DYNA Options Parts options Create all parts OK
定义接触Preprocessor LS-DYNA Options Contact Define contact Contact Type 选择Nodes to surface Automatic (ANTS )Static friction coefficient
0.1Dynamic friction coefficient
Contact component or part no 3Target component or part no 2OK Preprocessor LS-DYNA Options Contact Define contact Contact Type 选择Surface to surf Automatic (ANTS )Static friction coefficient
05Dynamic friction coefficient
0OK Contact component or part no 2Target component or part no 1OK 支撑约束Preprocessor LS-DYNA Options Constraints Apply Select Entities Volumes By Num/Pick OK 选择支撑OK Select Entities Nodes Attach to Volumes all OK On nodes 在支撑上选一点,pick all Rotatex Rotatey Rotatez X Y Z Value displacement value 0OK Select everything
板材四边约束Preprocessor LS-DYNA Options Constraints Apply Select Entities Lines By Num/Pick OK 输入板材四边对应的边号OK Select Entities Nodes Attach to Lines all OK On nodes 在板材上选一点pick all Rotatex Rotatey Rotatez X Y Z Value displacement value 0OK
工具头约束Preprocessor LS-DYNA Options Constraints Apply Select Entities Volumes By Num/Pick OK 选择工具头OK Select Entities Nodes Attach to Volumes all OK On nodes 在工具头上选一点pick all
Rotatex Rotatey Rotatez Value displacement value 0OK 成型路径加载Parameters Array parameters Define/Edit Add Parameter name T No. of rows ROW ,1,1 (ROW 是输入T.txt 的排数)Apply
Parameter name
No. of rows ROW ,1,1 Apply Parameter name
No. of rows ROW ,1,1 Apply Parameter name
No. of rows ROW ,1,1 OK Preprocessor LS-DYNA Options Loading options Specify loads Load lables 选择RUBX Component name or Part number 选择3Parameter name for time value 选择T Parameter name for date values 选择 X Apply Load lables 选择RUBY Component name or Part number 选择3Parameter name for time value 选择T
Parameter name for date values 选择 Y Apply
Load lables 选择RUBZ Component name or Part number 选择3Parameter name for time value 选择T Parameter name for date values 选择 Z Apply Preprocessor LS-DYNA Options Plot load curve 1OK 出图后关闭EDLOAD command
Preprocessor LS-DYNA Options Plot load curve 2OK 出图后关闭EDLOAD command Preprocessor LS-DYNA Options Plot load curve 3OK 出图后关闭EDLOAD command 设定求解时间Solution Time controls Solution time
输入T 中对应的最终时间值(不是行数)输出文件控制
Solution Output contrls Output File types File Options A dd Produce out for LS-DYNA OK Solution Output contrls File Output Freq Number of steps Specify results file output interval
150Specify time-history output interval 300OK Select Everything Solution Write Job name.k Write results file for LS-DYNA Browse 输入文件名(自建)保存
OK SAVE-DB QUIT QUIT-NO SAVE OK 求解Simulation Environment
LS-DYNA solver License
设为ANSYS LS-DYNA Working directory 设为自建的文件夹Keyword input file Browse 选择文件名.k Customization/preference Number of CPUs
设为4(自定小鱼自带核
心个数)RUN
ANSYS 分析步骤流程
查看将文件夹下名为d3plot 的文件放在
LS-PREPOST 应用软件中Parameters Array parameters Read from file Apply OK Result array parameter T(1,1)Browse T.txt Number of rows
ROW 最后一行输入(F11.6)Apply Apply
Result array parameter X(1,1)Browse X.txt Number of rows
ROW 最后一行输入(F11.6)Apply Apply Result array parameter Y(1,1)Browse Y.txt Number of rows
ROW 最后一行输入(F11.6)Apply Apply Result array parameter Z(1,1)Browse Z.txt Number of rows
ROW 最后一行输入(F11.6)OK
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采煤机镐形截齿截割过程的计算模拟
太原理工大学硕士学位论文采煤机镐形截齿截割过程的计算模拟姓名：姬国强申请学位级别：硕士专业：机械设计及理论指导教师：廉自生太原理工大学硕士研究生学位论文采煤机镐形截齿截割过程的计算机模拟摘要采煤机截割过程是一个复杂的过程，其根本原因在于煤岩结构及性质的复杂性。煤岩不是完整的质料均匀的各向同性体，它既不是完整弹性体，也不是理想塑性体，而具有明显的脆性。分析了煤岩在截割破碎过程中的物理和力学性质及破坏准则，这些是进行计算机模拟的基本前提。．通过对采煤机截割理论的分析。认识到采煤机截割过程主要包括四个阶段：变形阶段、裂纹阶段、压实核形成阶段及裂纹扩展及崩裂阶段，这四个阶段不断重复实现了煤岩的不断破碎和脱落。在截割过程中，作用在截齿上的载荷是在各种复杂且在空间上不断变化的条件下形成的，伴随大量的随机因素，可将截齿的受力简化为三向力：截割阻力、牵引阻力和侧向力。对截割过程影响的主要因素包括：截齿形状、截割速度、截割厚度、安装角及截槽形状等。．太原理工大学硕士研究生学位论文得到了频域中各载荷的能量分布曲线，从中分析出了各向载荷的主要频率，主要频率对截割过程的影响最大，关系到采煤机震动的剧烈程度和工作的稳定性，从而在进行采煤机结构的设计时要尽可能使采煤机的固有频率远离这些主要频率。通过对截割过程模拟的应力云图动画分析，展现了截割过程中煤体应力分布情况，加深了对截割过程的认识。关键字：采煤机，截割过程，ＬＳ―ＤＹＮＡ，模拟ｎ太原理工大学硕士研究生学位论文ＴＨＥＣＯＭＰＵＴＥＲＳＩＭＵＬＡＴＩＯＮＯＦＳＨＥＡＲＥＲＣＯＮＩＣＡＬＢＩＴＳＣＵＴＴＩＮＧＰＲＯＣＥＳＳＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｈｅａｒｅｒｉｓａｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｃｅｓｓ，ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｎｏｔｓｔｒｕｃｒｕｒｅａｎｄｎａｔｕｒｅｏｆｃｏａｌｉｓｃｏｍｐｌｅｘ．Ｔｈｅｃｏａｌｉｓｔｈｅｅｎｔｉｔｙｏｆｔｈｅｓａｍｅｎａｔｕｒｅｉｎｅｖｅｒｙｄｉｒｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｒｅｇｕｌａｒｑｕｌｉｔｙ．Ｉｔｉｓｎｅｉｔｈｅｒｔｈｅｆｕｌｌｅｌａｓｔｉｃｅｎｔｉｔｙｎｏｒｔｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅｐｌａｓｔｉｃｉｔｙｅｎｔｉｔｙ，ａｎｄｉｔｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｂｒｉｔｔｌｅ．Ｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｓｅｓｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌ，ｍｅｃｈａｎｉｃｓｃｈａｒａｃｔｅｒａｎｄｄａｍａｇｅｒｕｌｅｉｎｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｂａｓｉｃｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｆｏｒｃｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｈｅｏｒｙｏｆｓｈｅａｒｅｒ，ｉｔｉｓｒｅａｌｉｚｅｄｔｈａｔｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｈｅａｒｅｒｉｎｖｏｌｖｅｓｆｏｕｒｐｅｒｉｏｄｓ：ｔｈｅｄｅｆｏｒｍｐｅｒｉｏｄ，ｔｈｅｃｒａｃｋｐｅｒｉｏｄ，ｔｈｅｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｐｅｒｉｏｄ．Ｔｈｅｃｏａｌｃｏｒｅｆｏｒｍｉｎｇｐｅｒｉｏｄ，ｔｈｅｃｒａｃｋｅｘｐａｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｃｒｕｍｂｌｅｉｓｃｏｎｓｔａｎｔｌｙｂｒｏｋｅｎａｎｄｆａｌｌｓｏｆｆｗｈｅｎｔｈｅｆｏｕｒｐｅｒｉｏｄｓｏｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙａｐｐｅａｒ．Ｉｎｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｌｏａｄｓｐｉｃｋｆｏｒｍｉｎａｌｌｋｉｎｄｓｏｆｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄａｎｄｃｏｎｓｔａｎｔｌｙｃｈａｎｇｅａｂｌｅｓｐａｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｈｉｃｈａｃｃｏｍｐａｎｉｅｓｗｉｔｈｍａｎｙｒａｎｄｏｍｆａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｆｏｒｃｅｓｏｎｔｈｅｐｉｃｋｉｓｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｔｏｔｈｒｅｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｏｒｃｅｓ：ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｔｈｅｐｕｌｌｉｎｇｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｔｈｅｓｉｄｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ。Ｔｈｅｍａｉｎｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｖｏｌｖｅｓ：ｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｐｉｃｋ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｙ，ｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｔｈｅｉｎｓｔａｌｌａｎｇｌｅｇｒｏｏｖｅ?ＩＩＩａｎｄｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｃｕｔｔｉｎｇ太原理工大学硕士研究生学位论文ＴｈｅｐａｐｅｒｓｉｍｕｌａｔｅｓｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏａｌｗｉｔｈＬＳ－ＤＹＮＡ．ＴｈｅｍｏｄｅｌｉｓｄｉｒｅｃｔｌｙｓｅｔｕｐｉｎＡＮＡＳＹＳｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｓｉｍｐｌｅｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｂｅｆｏｒｅｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｉｔｉｓｎｅｃｅｓｓａｒｙｔｈａｔｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌ，ｍａｔｅｒｉａｌｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｒｅｓｔｒａｉｎｑｕａｌｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｌｏａｄｓｓｈｏｕｌｄｂｅｏｆｆｅｒｅｄ．Ｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｍｏｄｅｌｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐｒｏｂｌｅｍ，ｉｔａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｒｅｒｅｓｕｌｔ．Ｉｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｕｒｓｃｈｅｍｅｓ●ｃｈｏｓｅｎ：ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｔｔｉｎｇｖｅｌｏｃｉｔｉｅｓ，ｔｈｅ●ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｕｔｔｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓｅｓ，ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｅａｎｇｌｅｓａｎｄｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉｎｓｔａｌｌａｎｇｌｅｓ．Ｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｉｎｅｖｅｒｙｃｕｔｔｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｒｅｇｏｔ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｓｔａｔｉｓｔｉｃｓｖａｌｕｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｉｎｔｈｅｓａｍｅｓｃｈｅｍｅ，ｓｏｍｅｒｕｌｅｓａｒｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．ＷｉｔｈＭａｔｌａｂ，ｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｔｈｒｅｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｓｒｅｓｕｌｔｓａｒｅａｎａｌｙｓｅｄ，ａｎｄｅｎｅｒｇｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｅｖｅｒｙｌｏａｄｉｎｔｈｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｉｅｌｄｌｏａｄａｒｅｆｏｕｎｄｏｕｔｆｒｏｍｔｈｅ●●ｃｕｒｖｅｓｏｆａｒｅｒｅｃｅｉｖｅｄ．Ｔｈｅｍａｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｏｆｅｖｅｒｙｍａｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｆｆｅｃｔｓｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｆｉｅｒｃｅｏｆｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｗｏｒｋｃｕｒｖｅｓ．Ｔｈｅｗｉｔｈｐｒｏｃｅｓｓｇｒｅａｔｌｙ，ｉｔｉｓａｔｔａｃｈｅｄｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｈｅａｒｅｒ．Ｓｏｉｎｈｅｒｅｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｓｈｅａｒｅｒｓｈｏｕｌｄｂｅｆａｒａｗａｙｆｒｏｍｔｈｅｓｅｍａｉｎｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｈｅａｒｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｂｙｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏａｌｍｏｄｅｌｉｓｆｏｕｎｄｏｕｔ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｒｅａｌｉｚｅｄｄｅｅｐｌｙＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｓｈｅａｒｅｒ，ｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ，ＬＳ?ＤＹＮＡ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＩＶ声尸明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对论文作者签名：垄１９兰叁日期：丝！罗：鱼：兰关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；⑨学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签名：：：垄！自塑隗导师签名：兰弛．二；黜一一导师签名：沙。秀、６．６日期：太原理工大学硕士研究生学位论文第一章绪论１．１目前采煤机截割的研究方法对于采煤机截割过程的研究，尚不完善，目前所采用的研究方法大致有如下几种【１７】：（１）力学分析主要利用弹性力学的方法来分析煤岩破碎时的受力状况。由于破煤的载荷往往是局部的、动态的，分析起来很困难，在较好的情况下也可能给出近似解。但更主要的实质性困难首先还在于煤达到破碎前，已经不符合弹性条件了，而且煤经常有裂纹、弱面等缺陷，破碎的物理过程不明，力学分析的根基就不牢靠，但是力学分析的方法在以下两个方面可以有较好的收效：一是分析外载荷的性质，它不涉及煤的破碎，故较为可靠；二是煤炭破碎前的应力分布状态，它对破碎范围和程度可作出一些定性的判断。（２）基本因素试验在破煤过程中，只改变其中某些因素并观察它的影响。例如，研究截齿截割阻力时，可以分别改变截齿的几何特征参数、截割速度、截割深度等因素，逐个加以试验，分别阐明它们对截割阻力的影响，也可利用方差分析进行多因素的综合试验。这种方法是基本的和常用的，其优点是能够得到实际的结果，其缺点是工作量较大，如果不加以综合概括，难以建立一个明确的概念。（３）统计相关分析这种研究方法，强调煤岩的离散性，认为力学分析的准确性还不及简单的经验公式，认为作为煤及岩石破碎的指标，只要和开采工艺上相近即可，不必拘泥于模仿实际机具，也不必严密精确，只有这样才能测得大概的实际数据，才能针对煤的离散性作出相当可靠的结果。在这个指导思想下，人们使用煤炭的坚固性ｆ、抗截割强度Ａ来反映煤岩破碎和抗截割的难易程度，并对煤炭进行分级。（４）截割、破碎机理研究由于截割、破碎煤岩过程的复杂性，为了搞清楚煤岩截割的物理过程，可以采用计算机模拟的手段了解煤岩的破坏，动态的了解采煤机截割过程中的受力及应力分布等情况，从而为力学模型的建立及截割参数的优化提供必要的依据，这『Ｆ是本论文所采用的研究手段。太原理工大学硕士研究生学位论文１．２采煤机截割国内外研究概述煤岩截齿截割开采的研究可以追溯到金属切削，切削作为加工手段早在公元二、三世纪就己出现，１６６８年就有了和今天原理相同的铣削和磨削，经过三百多年的发展，建立了以固体物理学为基础的金属切削理论，成功地用于金属切削加工。但是在切削煤炭时完全采用金属切削理论，存在很多问题，长期以来，国内外许多专家学者都致力于采煤机的研究和开发上，从割煤理论着手，对滚筒式采煤机的螺旋叶片和截齿的配置及排列等方面的问题都进行了大量和细致的研究工作，特别是美、英等国相继研制出一批高性能、高可靠的“重型＂采煤机。在长期的研究中，这些国家积累了大量的理论知识和丰富的经验，同时，还应用计算机对螺旋滚筒的负荷进行了模拟研究。１．２．１国外采煤机截割研究上世纪５０年代，原苏联学者别隆和保晋等人对煤体作了大量的切削试验。对切削机理和切削参数进行了研究，提出了“密实核＂学说。认为刀具以某一速度向前运动，在首先与刀尖接触的煤体的－ｄ，部分面积的压应力达到煤体的抗压强度时，这－－＋部分煤体首先被压碎。随着截齿的继续前进，又被压成粉状，称这球形粉状体为“密实核”。在截齿前进过程中，与这粉状区域相邻的煤体破裂，粉状物高速喷出。由于粉状物与刀具前表面的摩擦作用，使－４，部分煤粉粘附于截齿的前表面，刀齿继续前进，很快在刀齿前表面堆积成一个小突起，即一个随刀具一起作截割动作的“瘤”。在这“瘤”继续扩大过程中，对其周围煤体的挤压力使煤体破裂，出现大块崩落。上世纪六十年代初，英国学者伊万思提出了以最大拉应力破坏为前提的力学模型，伊万思认为煤岩体在刀具的切削作用下将沿一圆弧线受拉而破坏，并给出了切削阻力公式。上世纪７０年代初，日本学者西松又提出一个截割力学模型，他认为煤体破坏遵守库仑一莫尔准则，西松于１９８２年在国际岩石力学杂志上发表了他的切削力计算方法，并被美国和西欧等国家所采用。６０年代，前苏联利用模拟计算机对采煤机工作机构破煤时的实际负荷进行了模拟研究。７０，８０年代，前苏联、英国在数字计算机上对螺旋滚筒及截齿上的负荷进行了模拟研究。２太原理工大学硕士研究生学位论文１．２．２国内采煤机截割研究１９９３年，西安矿院的牛东民从断裂力学观点出发，分析了煤体在刀具切削作用下的破碎机理，以及刀具切削力的变化规律和影响因素，建立了力学模型。牛东民提出了在刀具切削的作用下，煤体的破坏是由于存在于其中的裂隙，特别是层理、节理的失稳扩展为破坏的根本原因；并对裂隙的扩展模式及其有关因素的影响进行了分析，取得了与实际破碎现象较为一致的结论。重庆大学根据刀形截齿截割破碎煤岩的宏观现象，应用拉破坏理论建立了截齿破煤的力学模型，从而导出了截齿截割煤岩时的断裂角和截割阻力的理论表达式。辽宁工程技术大学博士生王春华对截齿截割作用下的煤体变形破坏规律进行了研究，在自制的截割实验台上进行了截齿截割煤体的模拟实验。采用白光数字散斑相关的方法，观测截齿截割作用下的煤体变形破坏情况。对截齿截割煤体变形破坏过程的红外热像进行测量和研究，从而分析研究截齿截割作用下煤体变形破坏规律。以岩石力学理论为基础，以煤体物理力学参数为计算依据，采用弹塑性应变软化的模型，使用ＦＬＡＣ进行数值计算，对截齿截割作用下的煤体变形破坏过程进行研究。分析动态截割过程及截割力、截割角度、截割深度、截割速度、截齿磨钝及煤体本构对煤体塑性区、最大位移、最大主应力、最大剪应力的影响，分析截齿截割作用下的煤体变形破坏规律。将实验结果分析得出的结论，应用到实际截齿截割煤体中，提出了高效截割的概念和方法。煤科院上海分院的王英山采用专用的采煤机滚筒截煤载荷的计算系统，完成了滚筒截割人造煤壁的试验。最后通过测试结果与计算结果的对比得出：在滚筒转速相同的情况下，滚筒水平力、垂直力、轴功率基本吻合，三组数据的变化趋势比较一致，说明所采用的软件系统较真实地反映了采煤机截割过程中滚筒的载荷特性的分析。目前它已经被用于滚筒设计过程中载荷特性的分析，作为滚筒方案优化的目标之一，为衡量滚筒设计水平的优劣提供了理论依据。‘辽宁工程技术大学的李晓豁通过建立截齿受力和滚筒载荷的数学模型，运用滚筒随机载荷的模拟程序，对滚筒载荷和滚筒载荷的波动进行了模拟，并对纯煤层及含有夹矸层和含有硬质体的复杂煤层进行了模拟，获得了滚筒的随机载荷曲线，并对结果进行了统计分析。由模拟结果得出：滚筒载荷受被截割对象的不均匀、煤岩和硬质包裹体分布不确定、截齿截割不连续以及牵引速度不均匀等因素影响，是随机变化的，而且其波动比较大，这与实际情况相符合，为进一步深入研究采煤机的力学性质以及动态设计奠定太原理工大学硕士研究生学位论文了基础。综上所述，对于煤岩在截齿截割作用下的破碎机理及采煤机滚筒载荷已经进行了诸多研究，但还有许多问题要做进一步的研究，表现在：一、截割过程是一个多因素的过程。截齿的几何形状，被截割煤体的力学性能，和它们在截割过程中的作用条件，截割过程的环境及速度因素等，都会直接或间接地影响截割过程的结果。二、煤体截割变形破坏过程是一个复杂的非线性过程，煤体截割破坏的环境比较复杂，这些因素要求截割破坏过程观测方法应该具有全场、非接触、高精度、测量敏感范围大、动态、易操作等特点。三、为了更好地研究截齿截割作用下煤体变形破坏规律，人们应用各种手段对截割过程进行监测，将收到信息进行分析研究。四、对于截齿截割作用下煤体变形破坏规律研究来说需要大量重复性实验，很难对每一种工况均进行试验研究，而采用数值计算的方法可以得到大量工况的信息，通过采用合适的模型及合适的计算软件进行分析，可得到各种工况的有关信息，分析截齿截割作用下截齿的受力和煤体变形破坏规律。１．３课题研究的意义我国采煤机械传统的设计研究是根据经验和以往设计实例，设计人员在纸面上设计所需的产品，产品生产人员再按照纸面设计进行工艺准备，做出样机，然后进行各种工况下的功能试验、可靠性试验和寿命试验。如果出现问题或不满足预定设计要求的情况，就要修改设计。这样，一方面把产品从开始设计到正式投放市场的周期拉得很长，从而在市场竞争中痛失良机，另一方面也增加了开发成本。传统设计中也使用绘图软件，但这些软件只是绘图工具，把手工绘图改为计算机绘图。其实质只是绘图不是辅助设计。一般均使用普通的ＣＡＤ二维软件，很少使用三维软件，更不用说在计算机上使用ＣＡＤ／ＣＡＥ工具，对采煤机进行虚拟建模和运动学、动力学仿真分析，对采煤机进行辅助设计、参数化设计以及优化设计。因此，设计、制造水平的落后直接导致了我国的采煤机在性能指标、技术水平及运行参数等诸多方面的落后。根据中国煤炭机械工业协会调查表明：以国产电牵引采煤机与国际同类产品之间的差距为例说明，总体上看，国产电牵引采煤机整体技术水平与国外相比大约相差１０－－－１５年，我国目前生产的电牵引采煤机最大装机功率约为国外同类产品的５７．７％：最大牵引速度／调动速度只是国外同类产品的６０％左右；最大截割高度约为国外同类产品的８３％。同时，可靠性上的差距也很明显，我国采煤机的齿轮寿命和轴承寿命仅为国外同类产品的１／４：国内采煤机滚筒寿太原理工大学硕士研究生学位论文命约为国外的３０％。现阶段，为了提高我国采煤机整体水平，急需采用先进的设计、制造手段，提高采煤机综合竞争力。采煤机是机械化采煤作业的主要机械设备之一，其功能是落煤和装煤。目前世界井下采煤技术基本模式仍是长壁综采，主机还是滚筒式采煤机。采煤机是综合机械化采煤的主要设备之一。随着滚筒采煤机的广泛应用，滚筒采煤机能否安全可靠地连续工作已成为人们日益关注的课题。对日产万吨的综合工作面而言，停产一日就等于损失百万元。因此，提高采煤机可靠性的关键在于克服由于外载荷的波动所带来的影响。由于采煤机工作环境复杂恶劣，载荷变化很大，一些关键部件在正常工作中常常出现因过载而损坏的现象。无论是采煤机的机械传动部件、液压传动部件、电气元件，还是摇臂、截割滚筒等，都因采煤机动载荷的加大而出现故障，影响采煤机的工作可靠性。例如采煤机牵引行走部的负荷大、载荷不均，其支承轴承很容易出现磨损或滚动体破裂等现象。采煤机摇臂部位各传动轴承受力很大，由于摇臂频繁升降，润滑性能较差，也极易损坏，发生故障。另外采煤机的液压传动系统发生故障的主要原因就是机器承受较大的动载荷，使液压元件磨损、产生泄漏，系统的控制阀动作失灵，引起液压系统的压力、流量发生不正常的变化，导致系统发生故障。以上诸多现象和所存在的问题都与采煤机滚筒受力和振动有着直接的关系，关键的问题是对采煤机截割的动态特性研究得不够。世界各国都对采煤机的截割进行了广泛的分析、研究与设计，除进行理论上的分析、计算外，常常要对它的特性进行实验研究。其中，一种是在实际采煤机上进行，另一种是在物理模型上进行。由于安全性、经济性和可行性方面的考虑，在实际采煤机上进行往往不宜办到。然而采煤机螺旋滚筒的工作过程比较复杂，影响因素较多，很难用一个理想的物理模型进行深入的研究。此外，设计、制造一个模型需要花费较大代价，周期也较长，进行准备工作量也较大，且只能对该参数的模型进行研究。随着计算机技术的发展，计算机模拟技术已经比较成熟，因此，可以借助先进的计算机模拟技术对采煤机截割过程进行模拟研究。这种模拟方法就是利用计算机模拟软件对已经建立的实体模型，通过施加必要的实际约束及材料特征等，然后进行求解分析，这样可以很直观方便的进行必要的研究。１．４论文的主要内容对于采煤机破煤的研究，广大科研人员进行了大量的研究，积累了宝贵的理论和经太原理工大学硕十研究生学位论文验，本人所做的工作是建立在他们研究的理论经验基础上的。１、介绍了国内外在采煤机破煤方面研究状况，论证了将计算机模拟技术应用于采煤机截割研究的必要性。２、考虑到煤岩破碎过程是一个复杂的多因素共同作用的过程，分析了煤岩的基本３、对截齿的截割破碎过程进行了论述，分析了截齿的受力状况及其影响截割效果４、利用显式动力分析程序ＬＳ―ＤＹＮＡ对镐型截齿的煤岩截割过程进行了计算机模拟，６物理力学性质、工程地质特征及煤层所处地质力学环境，这对采煤机截割过程的研究有着非常重要的意义。的基本因素，为后面的截割模拟工作提供了理论依据。针对不同的截割条件：不同的截割速度、不同的安装角度、不同的截割厚度、不同的截齿锥角，得到了截割过程中镐型截齿的三向受力变化曲线，动态的分析了截割过程中煤体的应力变化。应用ＭＡＴＬＡＢ软件对三向力数据做频谱分析，得到了主要频率的分布范围。通过对模拟结果的分析，得到了截割参数的规律性，为其优化提供了一定的依据。太原理工大学硕士研究生学位论文第二章煤岩的物理及力学性质在现代采煤工艺当中，煤岩破碎过程是最重要和最基本的过程，煤岩破碎过程中各种力学行为的研究是为采煤机械的设计和参数的优化提供基本的理论依据。煤岩破碎过程是一个复杂的多因素共同作用的过程，不仅与采煤机本身的机构性能有关，而且与所破碎介质煤岩的物理力学性质以及煤层赋存条件等诸多因素有关。因此，对采煤机截割过程进行全面分析之前，首先应该研究煤岩的物质组成结构系统、物理力学性质、工程地质特征及煤层所处地质力学环境，这对采煤机截割过程的研究有着非常重要的意义。本章就从以下几个方面对煤岩的性质进行综述。２．１煤岩的物理性质煤岩是有机沉积岩类，由于它的物质来源是植物，因此与其它的岩石类材料（如砂岩、石灰岩、花岗岩、大理岩等）相比，它的成岩特征和力学特点截然不同，如煤体具有质地软、变形大、强度低等特点。这就决定了我们在研究煤体破碎的时候，既要利用岩石力学、岩石破碎学的已有成果，又要考虑煤体性质的特殊性，使之更接近实际情况。煤的物理机械性质主要包括以下的一些内容：（１）硬度煤体硬度表示在较小的局部表面积上抵抗外力作用而不破坏的能力。通常是用标准矿物（摩氏硬度计）刻划煤来测定其相对硬度。各种宏观煤岩成分中，暗煤比镜煤、亮煤硬。煤的硬度与变质程度有关，煤化程度低的褐煤和焦煤的硬度最小，为２－２．５：无烟煤的硬度最大，接近４０。（２）脆度指煤受外力作用而破碎的性质。一般腐泥煤和腐植煤脆度小韧性大。在腐植煤的煤岩成分中，镜煤和没有矿化的丝炭最脆，亮煤次之；暗煤中，往往散布着许多稳定组分和矿物杂质，所以韧性大。不同变质程度煤中，肥煤、焦煤和瘦煤脆度最大，无烟煤脆度最小，长焰煤和气煤的脆度较小而且有一定的韧性。（３）比重和容重煤的比重是在一定的温度（２０℃）条件下，煤的重量与相同体积水的重量之比。煤的比重取决于煤的煤岩成分和变质程度，以及煤中所含矿物杂质的成分和含量。根据测量的方法不同分为容重（视比重）和真比重两种。容重是计算每层储量的重要指标。褐煤（含杂质较少的）容重为１．０５―１．２，烟煤为１．２―１．４，无烟煤为１．３５―１．８。随变质程度增高，煤的容重也增大；随矿物质含量的增多，煤的容重而增高。太原理工大学硕士研究生学位论文（４）断１：３煤受外力打击后不沿层面或者裂隙面断裂，而成为凹凸不平的表面，称为断口。更具表面形状的不同，煤的断口常分为贝壳状断口、参差状断口、阶梯状断口。（５）裂隙煤的裂隙指在成煤过程中，煤受到自然界各种应力的影响所造成的裂开现象。按成因不同分为内生裂隙和外生裂隙两种。内生裂隙常见于光亮的煤岩成分：镜煤和亮煤中，垂直于层理面，裂隙光滑平坦。它是煤在煤化过程中由于温度压力的影响，内部结构紧压、体积均匀收缩而产生内张力所引起的。所以，它的发育程度与变质程度有关。外生裂隙以不同角度与煤层层理面相交，一般斜交的较多，其间距离较宽。外生裂隙是煤层形成后受构造应力的作用而产生的。焦煤及瘦煤中外生裂隙特别发育，主要外生裂隙组的方向常与附近断层的方向一致。煤岩不是完整的质料均匀的各向同性体。它既不是完个弹性体，也不是理想塑性体，而具有明显的脆性。煤岩体的主要地质物理特性是存在着结构面，特别是工作面煤壁因地压影响而存在着大量的压张裂隙，它们对煤炭的抗破碎强度有很大的影响，这些压张裂隙的存在使煤体的强度降低，有助于机械截割破碎。２．２煤的力学性质首先，介绍以下煤体的变形破坏过程及其本构关系。截割破煤的过程就是煤体的变形、煤体中损伤的积累及破坏的过程，了解煤岩在受压情况下变形破坏过程是非常有借鉴意义的。同时煤岩力学本构关系也从另一方面反映了煤岩的力学性质。２．２．１煤岩的变形破坏过程中的应力变化从国内外采用刚性实验机对煤岩进行单轴和三轴试验得到的煤岩应力一应变过程曲线来看。可以从煤岩全程曲线峰值后的特性把煤岩分为两大类：Ｉ类，即弹脆性型，其对应的应力一应变过程曲线如图２－Ｉ所示。在应力达到峰值后，尽管实验机对试件不再做功或做功很小（所做功的数值应当为图２―１中的阴影部分的面积，也就是材料的应变能，从与图２－２的比较中可以发现其面积较小），但试件所储蓄的变形能足以使破裂继续扩展，并使试件迅速失去承载能力。这类煤具有强烈的冲击倾向性，在我国只占很小的比例。ＩＩ类，即弹塑性软化型，其对应的应力一应变过程曲线如图２―２所示，该类型的特点是当应力达到峰值后，试件所储蓄的变形能不能使试件的破裂继续扩展，只有再进一步压缩才－－她Ｂｒ。使其进一步破坏，虽然试件承载能力降低了，但仍保持部分强度。这太原理工大学硕士研究生学位论文类煤岩所组成的煤层无冲击倾向性或冲击倾向性很低，我国多数煤层属这类，尤其是在三向压缩状态，一般都具有弹塑软化性。据图２－２，弹塑性软化型煤体的变形破坏过程可由Ａ－Ｄ四个点分为以下五个阶段：（１）压密阶段：原裂隙被压密，曲线呈上凹状，变形模量随应力增大而增大；图２―２中ｏＡ段。（２）线弹性阶段：煤体发生弹性变形，应力～应变呈线性关系；如图２―２中ＡＢ段。（３）局部破裂阶段：应力达到极限强度前夕，煤体开始发生破裂，变形模量下降；达到极限强度时突然产生大量纵向裂隙，如图２－２中ＢＣ段。（４）塑性软化阶段：承载能力随破裂发展而急剧下降，变形模量为负值，如图２―２中ＣＤ段。（５）残余应力阶段：煤体最终破坏后，由于侧向压力作用及煤体内部摩擦，仍能使其保持一定的残余强度，如图２―２中Ｄ点以后的曲线段。４０厶Ｃ寸茎。２０Ｒ翅Ｏ２应变￡（１０。２）图２－１Ｉ类煤样的应力一应变曲线ＣＨＩＶｅＦｉｇ．２－ＩＴｈｅｗｈｏｌｅｓｔｒｅｓｓ―ｓｔｒａｉｎｏｆＩｃｏａｌｓｔｙｌｅ９太原理工大学硕士研究生学位论文１００８０厶母苫ｏ６０巷４０２００Ｏ．５１１．５２２．５应变￡（１０。２）图２―２ＩＩ类煤样的应力一应变曲线ｃｕｒｖｅＦｉｇ．２－２Ｔｈｅｗｈｏｌｅｓｔｒｅｓｓ―ｓｔｒａｉｎｏｆｌｌｃｏａｌｓｔｙｌｅ２．２．２煤岩体拉伸断裂机制煤岩的抗拉强度远小于抗压强度，这就要求不仅要搞清煤岩在静载下压剪变形破坏机理，更有必要研究煤岩在动、静载荷作用下的拉伸破断机制。煤岩的拉伸应力应变曲线包含有线弹性、非线性强化、仃，一应变软化等阶段，即在外载荷达到承载极限之前，煤岩会发生一定程度的应力强化，但当外加载荷达到承载极限之后，煤岩将发生应力突然急剧下降和应力软化现象，煤岩的承载能力随变形的增加而减小，这是准脆性材料的显著特点。图２－３是准脆性煤岩在加载条件下得到的典型的拉伸应力应变曲线。准脆性煤岩损伤的四个阶段：（１）线弹性阶段（ＯＡ）当拉伸应力仃，小于临界拉伸应力１９＂，懈时，岩石内部没有损伤演化，所有微裂纹只发生弹性变形，不发生扩展。（２）非线性强化阶段（ＡＢ）当拉伸应力ｑ超过仃，。。但低于煤岩的最大承载应力盯。一时，煤岩内产生连续的分布损伤，随着应力的增大，多的微裂纹发生稳定扩展，１０太原理工大学硕士研究生学位论文微裂纹半径由％增大为％，并为具有更高强度的障碍（如晶界）所束缚而停止扩展，微裂纹扩展区不断增大，损伤有效柔度张量的贡献也随之增大，于是应力应变关系表现出非线性和各向异性性质。仉ｍ喜吼ｍ兰ｏＲ毯Ｏ￡ｔ￡ｃ１２应变￡（１０吨）图２－３拉伸应ｈ一应变曲线Ｆｉｇ．２?３Ｔｈｅｐｕｌｌｉｎｇｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅ（３）应力急剧下降阶段（ＢＣ）当应力达到最大承载应力仃。。。后，某些方向上的裂纹将穿越晶界的束缚发生二次扩展。微裂纹二次扩展的准则表示为：伍ｌｃ／Ｋｋ。弘）２＋（Ｋ丌ｃ＋Ｋ九。嗍）２＝１（２―１）式中，ＫＩｃ和Ｋｎ。、Ｋ。。一和Ｋ兀。。。分别为基质材料的Ｉ型（即张开型）和ＩＩ型（即滑开型）应力强度因子及其临界值。一旦准则（２－１）在某方向上得到满足，该个别方向上的微裂纹将穿越晶界在基质材料中继续扩展，而其它大多数微裂纹只经历着弹性卸载，这意味着发生从连续损伤到损伤局部化的过渡，材料的承载能力开始下降。应力急剧下降阶段是由连续损伤和均匀应变向损伤局部化和应变局部化过渡的宏观表现，其本质原因是微裂纹的二次扩展，保持应变不变的条件下随着应力水平的下降，当微裂纹体达到某一最低的能量状态时，微裂纹停止扩展，细观结构达到暂时的稳定状态，对应于应力应变曲线中的Ｃ点。太原理工大学硕士研究生学位论文（４）应变软化阶段（ＣＤ）继续增大宏观应变时，己发生二次扩展的部分微裂纹继续扩展，而其它的微裂纹继续发生弹性卸载，即损伤和应变局部化进一步加剧；随之应力水平下降。因此，应变软化阶段是微裂纹损伤局部化的继续，也是宏观裂纹萌生的开始。从损伤力学的角度来看，准脆性煤岩变形的上述４个阶段分别对应于微裂纹的弹性变形、稳态扩展、失稳扩展和汇合。２．２．３煤岩的破坏准则由材料力学可知，当物体处于简单的受力情况时，材料的危险点处于简单应力状态，则材料的破坏可由简单的试验来决定。但是，岩石在外荷作用下常常处于复杂的应力状态，许多试验指出，岩石的强度及其在载荷作用下的性状和岩石的应力状态有着很大的关系。关于岩石在复杂应力状态下的破坏，材料力学中有多种破坏理论（强度理论）解释，这些理论都是根据对引起材料危险状态的原因作了不同的假设而得出的。然而，由于对岩石在复杂应力状态下的性状研究的不够，这些理论的任何一个都不能无条件的应用于煤岩【６】ｏ（１）最大正应力理论这种理论是最早的现在有时还采用的一种理论，称为朗肯（Ｒａｎｋｉｎｅ）理论。该理论假设材料的破坏只取决于最大的正应力。因此，当材料（岩石）内的三个主应力中只要有一个达到单轴抗压强度或单轴抗拉强度时，材料就算破坏。按照这个理论，材料的破坏准则是：仃ｌ≥Ｒ。（２―２）（２―３）仃３≤一Ｒ，或者，可将这一准则写成解析表达式的形式：（盯ｌ２一尺２）（盯２２一月２）（仃３２一尺２）＝０（２―４）式中：Ｒ。、Ｒ――分别为材料的单轴抗压强度和单轴抗拉强度（ＭＰａ）；月――泛指材料的强度（抗拉及抗压均包括在内）（ＭＰａ）。实验指出，这个理论或这个准则只适用于单向应力状态及脆性岩石在某些应力状态（如二向应力状态）中的受拉的情况，所以，对于复杂应力状态，往往不可以采用这个理论。１２太原理工大学硕十研究生学位论文（２）最大正应变理论人们从某些岩石受压时沿着横向（平行于受力方向）分成几块的现象，提出了与前一理论不同的假设，认为材料的破坏取决于最大正应变。根据这个假设，只要材料内任一方向的正应变达到单向压缩或单向拉伸中的破坏数值，材料就发生破坏，所以这个理论的破坏准则为：ｓｍａ）【≥ｇ＂（２―５）式中：ｓ一――材料内发生的最大应变值，可用广义胡克定律确定；毛――单向压缩或单向拉伸材料破坏时的极限应变值。这一破坏准则的的解析表达式为：｛【盯ｌ－／比（ｏ－２－ＦＯ＂３）】２一Ｒ２）“仃２一∥（盯３＋盯１）】２一Ｒ２）“盯３一∥（仃１－Ｉ－０＂２）】２一尺２）＝０（２―６）实验指出，这个理论与脆性材料的实验结果大致符合。对于塑性材料不能适用。此外，岩石的变形与侧向约束条件很有关系，它不决定材料的强度。（３）最大剪应力理论由于前面两种理论不能说明塑性材料的破坏，因此必须进一步研究塑性材料破坏的原因，得出合理的强度理论。人们从有些材料（例如软钢）的单向试验中发现，当材料屈服时，试件表面出现了与杆轴约成４５。角的斜线。因为最大剪应力就发生在与杆轴成４５。角的斜面上，所以这些条纹是材料内部晶格间的相对剪切滑移的结果。一般认为这种晶格问的错动是产生塑性变形的根本原因。因此，就很自然地提出了下面的假设：材料的破坏取决于最大剪应力。因此，当最大剪应力达到单向压缩或拉伸时的危险值时，材料就到达危险状态。所以这个理论的破坏准则是：ｆ。。≥ｆ。（２―７）在复杂应力状态下，最大剪应力ｒ。。＝旦｛旦；在单向压缩或拉伸时，最大剪应力的危险值气＝拿，将这些结果代如上面的不等式，便得到最大剪应力理论的破坏准则：盯ｌ一叮３≥尺（２－８）太原理工大学硕士研究生学位论文或者可以写成如下的形式：【（仃ｌ一矿３）２一Ｒ２】［（仃３一盯２）２一Ｒ２】［（盯２－－０－１）２一尺２】＝０（２―９）这个理论对于塑性岩石给出满意的结果，但对于脆性岩石不适用。另外该理论没有考虑到中间主应力的影响。（４）八面体剪应力理论上面的理论没有考虑中间主应力的影响，在八面体剪应力理论中，用八面体剪应力就可克服这一缺点。该理论假设，达到材料的危险状态，取决于八面体剪应力。所以这个理论的破坏准则是：ｒ喇≥ｆ３（２―１０）在复杂应力状态下的八面体剪应力为：ｆ吲：委屈■习ｉ瓦＝ｙ瓦Ｆ万（２－１１）因为在单向受力时，只有一个主应力不为零，所以将单向受力时达到危险状态的主应力Ｒ代入上式，便得到危险状态的八面体剪应力ｆ。：铲宰Ｒ（２－１２）把以上两等式代入上面的不等式，得出八面体剪应力理论的破坏准则：√（盯ｌ一０＂２）２＋（盯２―０＂３）２＋（盯３―０－Ｉ）２≥√ｈ或者写成：（０－ｌ一仃２）２＋（０－２一盯３）２＋（仃３一盯１）２―２Ｒ２＝０（２―１３），（２―１４）对于塑性材料，这个理论与实验结果很符合。这个理论在塑性力学中成为冯一米赛斯（ＶｏｎＭｉｓｅｓ）破坏条件，是目前塑性力学中常用的一种理论。（５）莫尔（Ｍｏｈｒ）理论及莫尔一库仑准则莫尔强度理论是莫尔在１９００年提出、并在目前岩土力学中用的最多的一种理论。该理论假设，材料内某一点的破坏主要决定于他的大主应力和小主应力，即ｑ和０－，，而与中间应力无关。这样就可研究平面应力状态。根据用不同的大、小主应力比例求得太原理工大学硕士研究生学位论文的材料强度试验（危险状态）资料，例如单轴压缩、单轴拉伸、纯剪、各种不同大小主应力比的三轴压缩试验等等，在ｆ一盯的平面上绘制一系列的莫尔应力圆。每一莫尔应力圆都反映一种达到破坏极限（危险状态）的应力状态。这种应力圆称为极限应力圆。然后作出这一系列极限应力圆的包络线，叫做莫尔包络线。这根包络线代表材料的破坏条件或强度条件。在包络线上的所有点都反映材料破坏时的剪应力（即剪切强度）ｆ，与正应力盯之关系，即：ｆ，＝ｆ（ｃｒ）这就是莫尔理论破坏准则的普遍形式。（２―１５）由此可知，材料的破坏与否，一方面与材料内的剪应力有关，同时与正应力也有很大关系，因为正应力直接影响着抗剪强度的大小。关于岩石的包络线的形状，目前存在着多种假定。有人假定为抛物线，也有人假定为双曲线或摆线。一般而言，对软弱岩石，可认为是抛物线，对于坚硬岩石，可认为是双曲线或摆线。大部分岩石工作者认为，压力不大时（例如盯＜ＩＯＭＰａ），采用直线在实用上也够了。为了简化计算，岩石力学中大多采用直线形式的包络线，岩石的强度条件可用库仑方程式来表示：ｆ，＝Ｃ＋ｏ－ｔａｎｃ，ｏ（２―１６）式中：ｃ――岩石凝聚力（ＭＰａ）；够――岩石内摩擦角（。）。这个方程式为库仑（Ｃｏｕｌｏｍｂ）首先提出，后为莫尔用新的理论加以解释。因此，上列方程式也常称为莫尔一库仑方程式或莫尔一库仑准则。它是目前岩石力学中用的最多的强度理论。按照上述理论列出莫尔一库仑破坏准则如下：ｒ≥ｆ，＝ｃ＋仃ｔａｎｃｐ（２―１７）式中：ｒ――岩石内任一平面上的剪应力（ＭＰａ），由应力分析求得。有时为了分析和计算上的要求，常常用大、小主应力ｑ和吧来表示莫尔一库仑方程式或破坏准则。滑动面或剪切面上的正应力盯、剪应力ｆ可写作：盯：！！±！！＋！！二！！ｃ盯＝―二――二＋―』――二Ｃ２２Ｓ０２２口口（２一１８）太原理工大学硕士研究生学位论文ｒ＝―２――２ｒ：！！二！！’２ＳＩｎ口口（２－１９）将式（２?１８）的盯及式（２－１９）的ｆ＝ｆ，代入（２－１７）得莫尔一库仑破坏准则：－Ｏ］）ｚｃ＿２ｓｏｃ－１（ｐｃｓｉｎ２ａ―ｔａｎ妒（１＋ＣＯＳ２口）。，＝――，：―２ｃ＋ｏ＂３［ｓｉｎ２ａ＋ｔ―ａｎ２（２―２０）ＬＺ―ＺＵＪ（６）格里菲斯（Ｇｒｉｆｆｉｔｈ）理论格里菲斯认为：材料内部存在着许多细微裂纹，在力的作用下，这些细微裂纹的周围，特别是缝端，可以产生应力集中现象。材料的破坏往往从缝端开始，裂缝扩展，最后导致的完全破坏。设岩石中含有大量的方向杂乱的细微裂纹，按照格里菲斯概念，假定这些裂纹是张开的，并且形状近似于椭圆。研究证明，即使在压应力情况下，只要裂隙的方位合适，则裂纹的边壁上也会出现很高的拉应力。一旦这种拉应力超过材料的局部抗拉强度，在这张开裂隙的边壁上就开始破裂。格里菲斯强度理论的破坏准则如下：当仃ｌ＋３０＂３＞ｏ时，裂隙方脚甲１ｃｃｏｓ揣（盯ｌ一盯３）２―８Ｒ，（仃１＋吒）＝０ｌｆＱ屯Ｄ篓＋…３０＂３，枷时，０＂３＝－Ｒｔ｝（２－２２）裂隙方位角∥＝０式中：盯。、仃３――岩石的大、小主应力尼――岩石的抗拉强度格里菲斯理论是以张开椭圆裂隙为前提的，如果在压应力占优势的情况下，则在受压过程中材料的裂隙往往会发生闭合。这样压应力就可以从一边的缝壁传到另一边的缝壁，从而缝壁间产生摩擦。在这种情况下，裂隙的增长和发展就与开裂隙的情况有所不同。综上几种强度理论，虽然各种理论都有各自的不足之处，特别对在复杂应力状态的性状下的岩石进行分析时，要求更高，但是考虑到煤体的实际受力环境，考虑岩体主应力的莫尔理论能够较好的反映其破坏状况，应用较广，所以在研究煤体的截割破坏时更具有实用价值。１６太原理工大学硕士研究生学位论文２．２．４煤体的力学特征参数（１）煤体的脆性程度苏联学者用实验的方法得出，侧断角①与劈裂厚度ｈ和常量指标Ｂ有关。指标Ｂ就叫煤体的脆性程度：ｔａｎ①＝Ｂｈ卸?５（２―２３）因而，在从煤壁表面劈裂时，单位耗能为：Ｈ缈＝再面Ａ≯．（２－２４）在固定的劈裂参数（ｂ一侵入深度和ｈ一劈裂厚度）条件下，单位耗能与煤体抗劈裂强度Ａ和脆性程度Ｂ有关。在其他条件相同时，Ｂ值越大，劈裂能耗就愈小，或者说煤体的脆性就愈强。实际上，在同样的抗劈强度和固定的劈裂参数等条件下，用一定的单位能耗破碎煤体的性能，就是煤体的脆性程度。所以，脆性程度可用于描述劈裂的单位能耗。（２）煤的抗碎强度煤的抗碎强度是指一定粒度的块煤，从规定高度自由落下到足够厚度的坚硬钢板上的抗破碎强度（ＳｈａｔｔｅｒＳｔｒｅｎｇｔｈ）用ＳＳ表示。测量抗碎强度的方法是将块度为６０―１００ｍｍ的块煤从２ｍ高处自由落下到规定厚度的钢板上，然后使大于２５ｍｍ的块煤再次落下，如此破碎三次，以破碎后大于２５ｍｍ的块煤占原煤样的质量百分数表示煤的抗碎强度（％），按下式计算：船（％）：堕ｘ１００聊２（２―２５）式中：ｓｓ一煤的抗碎强度，％；ｍ．一落下试验后大于２５ｍ块煤的质量，ｋｇ；ｍ，一落下试验前块煤的总质量，ｋｇ。煤是结构不均且有裂纹和局部缺陷的块状多孔体，煤体内还会有不同含量的矿物质，所以它的破碎过程受裂纹和内部缺陷的大小、矿物含量的分布和多寡、以及多孔脆性材料的抗断裂能力及孔结构分布的影响。因此在研究截割破煤之前把这些问题了解清楚是有重要意义的。１７太原理：【大学硕士研究生学位论文２．３煤层所处的力学环境以上介绍的是煤的个体的物理性质和力学性质，在采煤的过程中，除了利用物理力学性质以外，还要综合考虑煤层所处的力学环境的因素。由于煤埋藏于地表深处，在采煤工作面上，矿山压力的存在使得煤体产生了许多与其自身性质不同的变化，例如裂隙的变化，裂隙的产生有利于煤块的产生。因此在研究采煤机截割之前，我们有必要了解一下煤层所处的力学环境。首先来了解地应力的存在以及形成。地应力的是指地壳岩体内在天然状态条件下所具有的内应力。由于地下采煤工作面的煤体处于地面以下的一定深度，因而不可避免的要受到地应力的作用。地应力是支配煤岩体力学作用的重要因素之一，研究表明，它既是煤岩体运动的作用力之一，又是其本构规律特征的控制因索之一。在上部岩层压力、瓦斯压力、以及因进行煤体的开采而使煤体内的应力重新分配等作用下，煤体内应力的变化对煤岩的抗切削强度也有很大的影响。煤岩赋存的地应力与其本构特征的关系主要表现在：１．影响着煤岩体的承载能力；２．影响煤岩体变形和破坏机制；３．影响煤岩体中应力传递规律。而对与已进行开采的采场煤体来说，我们主要关心的是被破碎的工作面煤壁即沿工作面推进方向约０．６－０．８ｍ宽的煤壁内的应力状况，尤其是它的垂直分量和水平分量。根据矿压理论，被截割的煤体处于应力降低区，即它的垂直地应力要小于未受扰动时的平均地应力水平。其次，来了解以下采煤工作面附近采场支承压力分布情况。根据矿压控制理论可知，回采工作面由于受巷道开掘和回采的扰动影响，在采场前方会出现如图２－４所示的压力分布区。如图所见在采场前方出现了降压区Ａ、增压区Ｂ和稳压区Ｃ。在减压区Ａ内煤壁所受垂直压力小于稳压区的平均垂直压力ｙＨ，因而工作面煤壁经历了一个其垂直应力由平均地压水平而后升高再至降低的过程。这就使得在物理力学特性上表现为脆性的煤体，因为硬度不同而形成了发育程度不同的纵向裂隙。上部岩层和煤体中瓦斯对煤体所施加的压力，在未被巷道破坏的煤体内，产生高的体积压缩应力（接近流体静压力）。当１８太原理工大学硕士研究生学位论文进行破碎时，煤体内应力发生再分配，瓦斯压力由于瓦斯沿裂隙移动而下降，而上部岩层施于煤层的压力，此时逐渐加大，在距离暴露表面约２―５个煤层厚度的地点，压力达到最大值，然后在开采的暴露面附近减小下来。在接近暴露表面的地带，随着应力状态的变化，常出现煤层向采空区的位移现象。如果阻碍煤层向采空区位移的摩擦阻力不大时，由于产生了极限的横向变形而完全可能使煤层破碎。因此，接近工作面的煤壁表面产生拉力变形。如果拉力变形达到极限值，则在煤层中的原有裂隙得以发展，这种裂隙与层面垂直并与暴露表面平行。这一区域称之为拉力变形带。这个变形带为采煤机截割煤体提供了条件。＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＼＞ｙ／（，支铷ｍ／一／。、雹如譬要ｌ州≯，ｌｊｌｌ』，Ｉ、．‘ｌＣＢＡＡ一降压区Ｂ一升压区Ｃ一稳压区图２－，Ｉ采场支承压力分布图Ｆｉｇ．２―４Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｎｇｇｒａｐｈｏｆａｂｕｔｍｅｎｔｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｃｏａｌｆａｃｅ本章以上三节分别从煤的物理性质、力学性质和煤层所处的力学环境三个方面讨论和介绍了煤以及煤层的各种特性。类似于岩石材料，煤的本身的脆性决定了煤本身的抗拉强度远远小于它所能承受的抗压能力，而脆性的材料在冲击作用下容易因为强烈的应力波作用而产生的拉应力作用而迅速的破坏；另外，煤的力学性质当中也有有利于煤体的截割破碎，其中煤的变形破碎过程是和其他类型的岩石材料很相似的，都是在当施加１９ｒ太原理工大学硕士研究生学位论文的应力超过其强度的时候开始破碎，并且一旦破碎之后，所需要的应力会瞬间减小很多，从而可以减少很多的能量消耗：最后我们讨论了煤这种物质所处的力学环境，矿山压力的存在使煤体作为一个整体的本身性质与暴露在工作面的煤壁一段距离内的煤体性质有了变化和不同，工作面上的煤体由于处于压力降低的区域，而且因为原来也处于应力升高区域，使得这一段煤体由于往复的压缩和减压而变得更加容易破碎，内部的裂隙也比原生的煤体更加多和容易产生，因而这一段煤体在采煤机的截割作用下，会很容易的由于矿山压力和截割拉应力共同作用而从整体煤壁上脱落。２０太原理工大学硕士研究生学位论文第三章镐形截齿截割过程的理论分析煤岩的截割破碎过程是采煤机的一个主要工作过程，截割过程产生的截割力是决定截割质量的重要参数。因此必须了解煤岩截割的基本情况，提高截割效益和截割质量。近代破煤理论大体分为两类，一类是韧性破断强度理论，一类是脆性破断强度理论。前者认为，破煤是在材料产生很大塑性变形后发生的，是剪切滑移破坏的，主要应用于塑性比较大的材料，如金属材料。后者认为，几乎没有塑性变形就突然断裂，这种快速断裂，塑性区很小，主要应用于脆性材料，如煤、岩石等。３．１镐形截齿的截割过程根据近代强度理论，吸取已有切削模型的经验，以高速摄影为实验手段，提出下述切削模型。为便于说明切削过程基本规律，将切削破碎过程，大致分为四个阶段【ｌ７】：１．变形阶段卜塑性区；２一弹性区；３一截齿所受截割力合力方向４一齿尖对煤体的压力分布；５一接触区前端剪应力的分布图３－１煤体变形阶段Ｆｉｇ．３一ＩＴｈｅｄｅｆｏｎｎｐｅｒｉｏｄｏｆｔｈｅｃｏａｌｍｏｄｅｌ截齿位置Ｉ（未切入）前进到位且ＩＩ（切入）。前刃面挤压煤壁时，在切入区产生压缩变形区（塑性变形区ｌ和弹性变形区２），如图３．１ａ所示，截齿切削刃部分对煤施加的压２１ｔ＇－太原理工大学硕士研究生学位论文力不是均匀分布的，中心处压力大，边缘处压力小（图３．１ｂ）。由此造成的应力场是比较复杂的复合应力场。为简化问题，按照布希洛克理论，任何几何形状的刀具，作用在半无限体平面上，最大剪应力并不发生在刀具与煤体接触面上，而是发生在切削合力方向，在接触面下面某一位叉上（图３．１ｂ），此处的剪应力比接触面上的剪应力大２倍多。由于煤的抗剪强度比抗压强度小很多，所以在正常情况下，压应力未达到破坏值，剪应力己达到破坏值。与此同时，截齿与煤体接触面的周围边界处沿径向产生拉应力，这个拉应力使煤体表面产生裂纹。２．裂纹阶段当截齿从位里ＩＩ继续前进至位ＩＩＩ时，截割力继续增加。当接触面边界附近Ｅ，Ｆ点的拉应力超过煤的抗拉强度极限时，该处煤被拉开裂纹，称为赫兹裂纹。当接触区Ｂ点的最大剪应力超过煤的抗剪强度极限时，煤被错开，出现剪切裂纹。这样，在切削区域内形成两个裂纹源。剪切裂纹逐渐扩展，与赫兹裂纹相交，使切削层失稳、破裂，出现粉碎体。赫兹裂纹多为张开型，剪切裂纹多为滑开型或撕开型。实际上出现的裂纹多为几种型式的组合。图３－２镐形截齿破煤过程中的两个裂纹源Ｆｉｇ．３－２Ｔｗｏｓｏｕｒｃｅｏｆｃｒａｃｋｉｎｃｕｔｔｉｎｇｃｏａｌｏｆｃｏｎｉｃａｌｂｉｔｓ３．压实核形成阶段当刀具由位置ＩＩＩ继续前进至位且ＩＶ，截割力继续增加。由于剪切裂纹及赫兹裂纹的作用，造成微裂纹应力集中。微裂纹的发生、发展和汇交，形成粉碎体。粉碎体压成压实核（压实和储能）。根据Ｐ．Ｋ．图塔理论，压实核能代替刀尖向周围的煤体传递切削力，太原理工大学硕士研究生学位论文将能量传递给周围煤体。因此，压实核具有切削作用，所以密实核又称切削核。由于密压实核储存的能量具有高压流动性，所以，当圆锥面与煤体之间有间隙时，压实核粉就以很高速度射出去。图３－３形成压实核Ｆｉｇ．３―３ＦｏｒｍｉｎｇｃｏｍｐａｃｔｉｏｎＣＯｌ＇ｅ４．裂纹扩展及崩裂阶段当截齿从位置ＩＶ继续前进至位置Ｖ时，截割力继续增加。一旦切削核瞬间被煤体封闭而射不出去时，切削核对煤体的压力迅速增加。对锥孔周围的赫兹裂纹相当于悬臂梁加载系统，裂纹在该加载系统下迅速按煤岩体内层理、节理弱面扩展，如图３―４所示。（高速摄影手段很好地证明了这一点），煤块ＡＢＣＤ崩落，形成大的煤块。此时截割力突然下降，完成了一次截割。上述煤岩截割破碎过程是把截齿切入煤岩到切下大块煤作为一个循环。从宏观上看，整个煤岩切削过程，就是这４个过程的循环。在每一个循环中，４个过程都是瞬间完成的。如果把４个过程按特征来划分，还可以简化成两个阶段，两种形式的断裂。第一个阶段是经过弹、塑性变形、形成裂纹和形成压实核的储能阶段，这是第一种裂纹形式的断裂；第二个阶段为崩裂断裂，是在第一个阶段的基础上，由锥孔周围赫兹裂纹，在悬壁梁加载系统的作用下，沿煤岩体内层理、节理弱面扩展、崩落，是崩裂形式的断裂。故可把镐形截齿破煤过程看成是两个阶段周期性交变过程。太原理工大学硕士研究生学位论文图３－４裂纹沿层理、节理缺陷裂隙扩展ｊｏｉｎｔＦｉｇ．３―４Ｔｈｅｃｒａｃｋｅｘｐａｎｄａｌｏｎｇｆｌａｗｆｒａｃｔｕｒｅｏｆｐｌａｎｅａｎｄ３．２截齿的三向阻力和截割比能耗滚筒截煤时，作用于截齿上的负荷是在各种复杂、且在空间上不断变化的条件下形成的，其中伴随有大量的随机因素，其主要因素包括煤岩截割强度的多变性、截割过程的不均匀以及截齿模顿程度的变化等。由于截齿在其截割路径上的时间很短，其前后环境和主要物理条件变化不大，因此，可以把截齿负荷看作一个平稳随机过程。３．２．１截齿的三向阻力截齿截割煤体时必须克服煤体的阻力。作用在截齿上的阻力进行简化，在前刃面上的截割阻力Ｚ；作用在后刃面上的牵引阻力Ｙ；作用在侧刃面上的侧向力Ｘ，这三个力的方向是沿直角坐标系的三个坐标轴的，刀型截齿的受力如图３．４所示。图中：Ｎ－一作用在前刃面上的法向力；ｕＮ－一作用在前刃面上的摩擦力；Ｒ―－Ｎ和ｕＮ的合力；乙和艺一合力Ｒ的轴向分力；Ｚ一作用在后刃面上的法向力（近似的看成Ｙ轴的分力）；ｌａＺ一作用在后刃面上的摩擦力；Ⅳ。和Ⅳ：～作用在两侧面上的法向力；，４太原理工大学硕士研究生学位论文图３－４刀型截齿受力图Ｆｉｇ．３―４ＴｈｅｆｏｒｃｅｂｅａｒｆｏｒｆｌａｔｐｉｃｋＸ２、Ｉ和艺一Ⅳ１和Ⅳ２沿ｘ和Ｙ轴的分力；ｕ（Ⅳ。＋Ⅳ２）一两侧面上的摩擦力：７一截齿的前角；臼一截齿前刃面与煤的摩擦角；’，口―截割速度；１，。一推进速度，也叫截齿的牵引速度。作用在截齿各坐标轴上的合力为：截割阻力：Ｚ＝Ｚ。＋∥Ｚ＋∥（Ⅳｌ＋Ｎ２）牵弓Ｉ阻力：Ｙ＝Ｚ―Ｅ＋Ｉ＋Ｌ侧向力：彳＝Ｘｌ一Ⅳ２（３．１）（３－２）（３．３）刀形截齿主要利用切屑刃来截割煤，由于其具有楔形面，所以也有尖劈作用。镐形截齿刀头是圆锥带尖，没有切屑刃，所以它是利用点击和尖劈作用来截煤。它们的刀头形状不同，破碎方式不同，但根据大量实验，他们的破碎机理是一样的，都具有压实核．煤屑的脆性破碎特性，镐型截齿的受力如图３．５。２５太原理工大学硕士研究生学位论文截割阻力的平均值：Ｚ＝Ａｈ图３－５镐形截齿受力简图Ｆｉｇ．３―５Ｔｈｅｆｏｒｃｅｂｅａｒｆｏｒｃｏｎｉｃａｌｂｉｔｓ式中：√卜截割阻力系数，Ｎ／ｍｍ：ｈ一切屑深度，ｍｍ。牵引阻力：Ｙ＝＝ａＺ（３―４）式中：ａ一极脆煤Ｏ．５，脆性煤０．３，韧性煤０．７。侧向力：Ｘ＝（０．１～０．２）Ｚ（３－５）３．２．１截割的比能耗比能耗：日＝等＝ｚＶＰ／３６。０。０。Ｓ。ｖｔ，一＝２．７８；（ｋｗ?Ⅳｍ３）式中：Ｗ二戡割时所做的功，Ｎ?ｃｍ：（３―６）嘣截割面积，ｃｍ２：Ｖｐ―截割速度，ｍ／ｓ。Ｖ＿―被截割煤的体积，ｃｍ３；比能耗Ｈ与切削深度ｈ的关系为近似双曲线。当ｈ增大时，被截割的体积增大，这足够的体积包容了大量的裂缝，截割时易从应力弱的裂缝处破碎，于是比能耗明显减太原理Ｔ大学硕十研究生学位论文小。截割下来的体积过小，截割次数必然增多，同时含有裂缝的机率也少，显然消耗的能量相对增加。试验可知ｈ＞５～１０ｃｍ时，Ｈ趋于稳定，并具有最小值区间。比能耗决定着截割能力及效率、煤尘、煤炭品级（块度），因此比能耗是最佳截割中的一个首要准则。３．３影响截割性能的主要因素３．３．１截齿的几何形状采煤机械的截割刀具是截齿，电动机的绝大部分功率消耗在截齿上。截齿是采煤机械的易损件，是更换量最大的零件。因此分析其截割性能、强度、可靠性、寿命具有很重要的意义，以下以镐形截齿为例进行说明。试验表明，镐形截齿的圆锥角为７０。、安装角为５０。，截割阻力是最小的，同样具有切向刀形截齿的优越性。镐形截齿的截割机理和刀形截齿一样，三向受力分析也较近似。镐形截齿的切削深度较小，当切削深度超过４－８ｍｍ时，截齿齿尖易被截槽包住，增大摩擦阻力，尤其是韧性煤，造成切削阻力比刀形截齿的大，磨损也较快。若采用切向刀形截齿，因有刀刃切割不致截槽包住，可提高截割厚度ｈ及截割效率。但在脆性坚硬煤岩或腐蚀性强的煤岩中，镐形截齿的自转，使截齿磨损均匀，比刀形截齿寿命长，但断裂寿命无明显差别。在截割韧性硬煤和切削较大（＞６～８ｒａｍ）时，镐形截齿的截割力和截割比能耗要增大。３．３．２截齿变钝截齿变钝后，使各刃面变成弧面，使截齿与煤的接触面积增大，使接触应力和摩擦力增大，从而使截煤的阻力增大。由于接触面上的碾压和摩擦作用增强，使煤粉量增加。因此磨损程度越厉害，阻力和单位能耗增加量越大，煤粉增加越多。由于磨钝的截齿截煤时挤压作用增强，推进力自然要大些。事实上截齿经常保持锐利状态是不可能的。例如一镐形截齿磨损２．５ｍｍ，将使Ｚ增加３￣４倍，Ｙ增加４～１０倍。太原理工大学硕士研究生学位论文３．３．３截槽形状截齿截煤时形成的截槽面形状，构成了截槽的断面大小和自由面的多少。截割力与截槽断面面积成正比。截割力随自由面的增加而降低，截槽形状有以下几种：１．开放式截槽是在平坦的表面上进行截割时形成的，截槽的两侧面具有崩落角，崩落角随着截割深度ｈ的增加而减少，随着煤的脆性增加而增大。在采煤工作面上一般不会出现平整的表面和这种截槽。２．半封闭式截槽是截割离煤壁表面最深处的煤时所形成的。滚筒端盘上最里边的齿所形成的截槽属于此种截槽，这种截槽使截齿的侧向力较大。３．自由式截槽类似于截割截槽之间的残留小煤脊的截槽，其截割阻力最小。是截齿按台阶排列时进行截割所形成的。截割阻力和比能耗比半４．阶梯式截槽封闭式低，但切屑断面不对称，使截齿的侧向力较大。５．棋盘式截槽是截齿按棋盘式排列时进行截割所形成的。当截线距ｔ增大后，两截槽之间的煤被破不下来，形成煤脊，而这种排列可保证截齿能破碎此煤脊。此截槽的切削断面较对称，截槽的侧向力很小。只有在鼓形滚筒、双头和四头螺旋滚筒上才有可能采用棋盘式。阶梯式和棋盘式的ｔ／ｈ值是以比能耗最小，也就是截齿两边崩落最多为合理值。这个合理值也标志着块煤率很高，若ｔ／ｈ过大，形成煤脊，煤脊被压碎，煤粉增加；若ｔ／ｈ过小，煤粉更多。ｔ／ｈ尽可能的取大一些的值，以减少钝齿截煤时的摩擦功率，但ｔ／ｈ过大将形成封闭式的截槽。对于裂隙多、崩裂角大的脆性煤取ｔ／ｈ＝２．Ｏ～２．５；对于崩裂角小的粘性煤取ｔ／ｈ＝１．５－２．０。前苏联等国对阶梯式和棋盘式进行了研究，共同的结论是在其它条件相同时，棋盘式在破碎能耗方面稍好些。棋盘式的煤屑块度较大，但截齿过少时工作机构负荷的增加和动负荷都很大。截槽形状不同，所需要的截割力也不同。若以开放式截槽为基本截槽，它所需要的平均截割力Ｚ钎为基准，而其它截槽用截槽形状系数Ｋ来比较，即Ｋ：互（３－７）Ｚ开式中：Ｚ，―任意截槽所需的平均截割力。截槽的形状系数Ｋ值见表３．１。太原理丁－大学硕士研究生学位论文表３－１截槽形状系数ＫＴａｂｌｅ３―１Ｔｈｅｓｈａｐｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｆｏｒｃｕｔｔｉｎｇｇｒｏｏｖｅ截槽形状系数Ｋ开放式１半封闭式１．２封闭式１．４自由式０．５’阶梯式、棋盘式０．２（１＋ｔ／ｈ）３．３．４截割速度截割速度方向为截齿齿尖运动轨迹切线方向，它与截割头的直径、转速和牵引速度有关。截割速度是判断截齿齿尖寿命主要指标之一。截割速度和摩擦系数是导致截齿升温的重要原因，各种硬质合金都有临界温度，超过临界温度，就会软化，磨损随之急剧增大。最佳截割速度取决于被截割矿物特性，矿物越硬、研磨性越大，截割速度的选择越低，可是截割效率与截割速度成线性关系。根据我国的试验在截割脆性煤时，在截割厚度不变的情况下，截割速度在０．３－４ｍ／ｓ范围内对截割阻力和比能耗影响不大，其截割阻力的增大不超过１５％。若截割速度超过４ｍ／ｓ，将使截割阻力急剧增加，因为煤是非均质的，而系统的刚性和质量又较大，高速截割时，动载荷较大，另外截齿的温升也过高，所以最好在较低的截割速度下进行强力截割，同时还可以得出大块煤。３．３．５截割厚度根据试验，截割厚度的增大具有以下优点：１、截煤过程中的摩擦力在截割阻力中所占的比例，随截割厚度的增加而减少。截割厚度不同，截齿磨损程度也不同，截割厚度大的截齿比截割厚度小的截齿磨损小。２、随着截割厚度的增加，比能耗一般按双曲线规律下降。根据许多试验，煤的截割厚度在５～１０ｃｍ时，对于被试的几种煤来说，比能耗分别具有最小值。３、随着截割厚度的增加，煤尘减少。根据试验：当截割厚度增加一倍时，产生的煤粉量相应的减少一半。４、随着截割厚度的增加，煤被破碎的次数（即块数）减少。也可以说载荷变化的频率大大降低，这对传动装置来说，应力循环次数的降低可以提高零部件的寿命。５、为了满足用户对大块煤的要求和便于运输，截割断面不应小于２０～５０ｃｍ２，但超太原理工大学硕士研究生学位论文过此值时，将会使截割阻力过大。根据以上分析，增大截割厚度是合理的。从比能耗最小出发，同时考虑平均截割阻力和电动机功率以及动载荷不致过大，选择较大的截割厚度是合理的，截割厚度一般不超过５―１０ｃｍ，目前世界上一些滚筒式采煤机的截齿悬长是能够达到较大的截割厚度，其大截齿的悬长：径向截齿达７．６￣１１．５ｃｍ；切向截齿达１２．５～１５．７ｃｍ。合理的截割厚度和截齿排列可以达到比能耗和生产率很高。但是截割厚度和牵引速度成正比，调整牵引速度时，截割厚度也跟着变化，这就不能经常保证合理的截割厚度。只有滚筒转速也能调整时，可得到截割速度与牵引速度的最佳比值，经常保持合理的截割厚度。３．３．６安装角度镐形截齿在破煤时，截齿的工作部分为一圆锥体。由于截齿在齿座上的安装角度，截齿轴线并非与煤岩体表面垂直，如图３－６所示采煤机滚筒以一定角速度旋转，牵引速度为Ｖｑ，截割速度为Ｖ，截齿轴线与齿尖运动轨迹切线方向定义为安装角ｐ。安装角度大小的不同也会影响到采煤的效果，如截割阻力等。试验表明：镐型截齿当圆锥角为●ｒ７５。、安装角为５０。时，截割阻力是最小的，同样具有切向刀形截齿的优越性。Ｖ图３－６镐形截齿安装角示意图Ｆｉｇ．３－６Ｔｈｅｉｎｓｔａｌｌａｎｇｌｅｆｏｒｃｏｎｉｃａｌｂｉｔｓ３０太原理工大学硕士研究生学位论文３．３．７截割时截齿作用在煤岩上的载荷性质根据煤的截割理论研究和试验证明：在冲击载荷和静载荷下破碎煤和岩石时，其破碎过程都是脆性破碎过程。从破碎时所消耗的能量来看，在破碎相同煤岩试件时冲击破煤比静力破煤一般高２￣４倍，因为冲击速度很高，随着速度的增大，煤的变形阻力也增大，从而造成能量的增大。特别是两种破碎过程所需的时间不大相同，例如冲击破煤的时间极短，而静力破煤的时间很长，显然冲击破碎过程所需的时间很短，可提高生产率。采煤机的冲击载荷与煤岩性质、传动系统弹性、传动部件的质量、零件之间的间隙、载荷作用的时间等有关。高的截割速度比慢的所引起的冲击载荷要大，但一般的截割速度是相当低的。因煤岩是脆性破碎，载荷变化是较大的，所以工作机构在正常工作中所承受的载荷是变载荷。若遇到煤岩硬度突然变化、或截齿碰上坚硬物时将出现冲击载荷。希望利用冲击载荷来提高截割效率和生产率，但又希望减少冲击载荷和机器振动以降低能量消耗，两者是矛盾的。然而目前煤岩被破碎的速度远远高于工作机构的截割速度，并不影响生产率的提高。因此从提高电机和传动装置以及连接件的可靠性和寿命来看，减少冲击载荷是主要矛盾。设计时考虑主电动机功率自动调速就有减少冲击载荷的目的，而截割部按全功率设计又有能承受较大冲击载荷的目的。３．４本章小结采煤机截割过程的研究是本论文模拟研究重点，所以需要对整个截割过程中截齿的截割机理进行必要的认识，以利于后面模拟工作的开展。本章主要针对采煤机的截割过程进行论述，从截割机理分析了镐形截齿在截割过程中煤体中压实核的形成和脱落，最后导致了截割破煤的不断完成。对截割过程中煤体的受力进行了介绍，最终可简化为受到截割阻力、牵引阻力和侧向力等三向力。对影响截割过程的几个因素进行了分析，这些因素包括：截割速度、截割厚度、截齿安装角、锥角等，这些因素也是后边模拟中所考虑的重点。太原理工大学硕士研究生学位论文第四章采煤机截割过程的模拟采煤机在截割煤岩的过程中，煤体发生了非常显著的非线性破坏，如果用ＬＳ－ＤＹＮＡ来模拟截齿截割煤体，可以比较真实的模拟截齿和煤体的实际状况，而且由于ＬＳ―ＤＹＮＡ采用显式算法，所以它能快速求解大变形非线性问题，节约了计算时间。该模拟模型的建立首先是在ＡＮＳＹＳ中建立截齿和煤体的有限元模型，施加初始条件和边界条件，然后由ＬＳ―ＤＹＮＡ专用求解器进行计算，分析结果用ＡＮＳＹＳ的后处理器或ＬＳ－ＤＹＮＡ的专用后处理器进行后处理。４．１ＬＳ－ＤＹＮＡ简介ＬＳ―ＤＹＮＡ是世界上最著名的通用显式动力分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题。在工程应用领域被广泛认可为最佳的分析软件包。与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。ＬＳ－ＤＹＮＡ是ＬＳＴＣ（ＬｉｖｅｍｏｒｅＳｏｆｔｗａｒｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）公司将显示ＬＳ．ＤＹＮＡ２Ｄ，ＬＳ．ＤＹＮＡ３Ｄ，热分析ＬＳ．ＴＯＰＡＺ２Ｄ，ＬＳ．ＴＯＰＡＤ３Ｄ等程序合成一个软件包，并由ＡＮＳＹＳ公司将它与ＡＮＳＹＳ前后处理器连接，大大加强了ＬＳ―ＤＹＮＡ的前后处理能力和通用性。ＬＳ―ＤＹＮＡ程序是包括几何非线性（大位移、大转动和大应变）、材料非线性（１４０多种材料动态模型）和接触非线性（５０多种）的软件。它是以Ｌａｇｒａｎｇｅ算法为主，兼有ＡＬＥ和Ｅｕｌｅｒ算法；以显示求解为主，兼有隐式求解功能，或交替使用隐式一显示连续求解：以结构分析为主，兼有热分析、流体．结构祸合：以非线性动力分析为主，兼有静力分析功能的通用机构非线性有限元分析程序，目前在国防和民用领域应用广泛。ＬＳ．ＤＹＮＡ采用ＡＮＳＹＳ前处理生成ＬＳ．ＤＹＮＡ显示积分部分的输入数据文件，用ＬＳ．ＤＹＮＡ求解器求解生成图形文件和时间历程文件，再用ＡＮＳＹＳ后处理或ＬＳ．ＤＹＮＡ后处理ＬＳ．ＴＡＵＲＵ显示和分析计算结果，需要隐式积分法求解可采用ＡＮＳＹＳ隐式求解器，它与ＬＳ．ＤＹＮＡ显示求解器之间配有数据接口。ＬＳ．ＤＹＮＡ程序系统是将非线性动力分析程序ＬＳ．ＤＹＮＡ显示积分部分与ＡＮＳＹＳ程序的前处理ＰＩ迮Ｐ７和后处理ＰＯＳＴＩ（通用后处理）、ＰＯＳＴ２６（实践历程后处理）联成一太原理工大学硕士研究生学位论文体。这样既能充分运用ＬＳ．ＤＹＮＡ程序强大的非线性动力分析功能，又能很好地利用程序完善的前后处理功能来建立有限元模型与观察计算结果。４．１．１ＬＳ－ＤＹＮＡ显式动力分析的特点ＬＳ－ＤＹＮＡ采用中心差分时间积分法，计算结构系统个各节点第ｎ个时间步结束时刻ｆ。的加速度向量为：ａ（ｔ。）＝Ｍ一［Ｐ（ｆ。）一Ｆｍ‘（ｒ。）】（４－１）其中，Ｐ为施加的外力向量（包括体力经转化的等效节点力）；Ｆ洒‘为内力矢量，它由下面几项构成：Ｆ劬：［Ｂ７‘Ｚｃｒｄｆ２＋，＾ｇ＋Ｆ咖，倒（４―２）三项依次为在当前时刻单元应力场等效节点力（相当于动力平衡方程的刚度项，即单元刚度矩阵与单元节点位移的乘积）、沙漏阻力（为克服单点高斯积分引起的沙漏问题而引入的粘性阻力）以及接触力矢量。节点的速度与位移矢量通过下面两式计算：ｖ（ｔ肿ｌ／２）＝ｖ（ｔ。一ｌ／２）＋０．５ａ（ｔ。）（△ｆ。一ｌ＋Ａｔ。）（４―３）时间步和时间点的定义为：Ａｔ¨＝（ｆ。一ｆ¨），Ａｔ。＝（ｔ川一ｆ。），¨，２＝０．５（ｔ。＋ｔ川），ｔ川，２＝０．５（ｔ川＋，。）（４―４）新的几何构型由初始构型Ｘ。加上位移增量获得，即：Ｘ，＋Ａｒ＝Ｘｏ＋甜，＋△，（４－５）上述方法是一种显式方法，其基本特点是：１、不形成总体刚度矩阵，弹性项放在内力中，避免了矩阵求逆，这对非线性分析是很有意义的，因为每个非线性增量步、刚度矩阵都在变化。２、质量阵为对角时，利用上述递推公式求解运动方程时，不需要进行质量矩阵的求逆运算，仅需利用矩阵的乘法获取右端的等效载荷向量。３、上述中心差分方法是条件稳定算法，保持稳定状态需要小的时间步。太原理工大学硕士研究生学位论文关于显式算法的条件稳定性，保证收敛的临界时步须满足如下条件：Ａｔ≤Ａｔ。，＝２／（．ｏ。（４―６）其中，缈。为系统的最高阶固有振动频率，系统中最小单元的特征值方程：Ｐ一缈２Ｍ。Ｉ＝ｏ（４－７）由此方程得到的最大特征值即为吃。为保证收敛，ＬＳ―ＤＹＮＡ３Ｄ采用变步长积分法，每一时刻的积分步长由当前构形网格中的最小单元决定。４．１．２ＬＳ－ＤＹＮＡ中的接触问题接触碰撞算法是物体相互作用过程分析中很重要的组成部分，也是最复杂的部分。在ＬＳ―ＤＹＮＡ程序中，不同运动物体之间的接触作用，不是用接触单元模拟的，而是采用定义可能接触的接触表面，指定接触类型以及与接触有关的一些参数，在程序计算过程中就能保证接触界面之间不发生穿透，并在接触界面相对运动时考虑摩擦力的作用。ＬＳ－ＤＹＮＡ程序在接触、滑动界面处理上主要采用三种不同的算法：（１）罚函数法（ＰｅｎａｌｔｙＭｅｈｏｄ）１９８２年８月该方法被用于ＬＳ．ＤＹＮＡ２Ｄ中。其基本原理是：在每一个时间步首先检查各从节点是否穿透主面，如果没有穿透不做任何处理，如果穿透，则在该从节点与被穿透主面间引入一个较大的界面接触力，其大小与穿透深度、主面的刚度成正比。这在物理上相当于在两者之间放置一法向接触力，以限制从节点对主面的穿透。接触力称为罚函数值，“对称罚函数法”则是同时每个主节点也做类似上述处理。罚函数方法的固有缺陷是求解出的撞击力、撞击速度和加速度都是振荡的，振荡的程度与所选的罚因子数值相关，可以通过减小时间步长等方法降低振荡。（２）动态约束法（ＫｉｎｅｍａｔｉｃＣｏｎｓｔｒａｉｎｅｄＭｅｔｈｏｄ）该方法由Ｈｕｇｈｅｓ于１９７６年提出，同年被Ｈａｌｌｑｕｉｔ首先应用在ＬＳ．ＤＹＮＡ中，后来扩展应用到ＬＳ．ＤＹＮＡ３Ｄ中。其基本原理是：在每一时间步长△ｔ修正构形之前，搜索所有未与主面（ＭａｓｔｅｒＳｕｒｆａｏｅ）接触的从节点（ＳｌａｖｅＮｏｄｅ）看是否在此△ｔ内穿透了主面。如是，则缩／］，Ａｔ，使那些穿透主面的从节点都施加约束条件，以保持从节点与主面接触而不贯穿。此外。还应检查那些和主面接触的从节点都施加约束条件，以保持从节点与主面接触而不贯穿。此外，还应检查那些和主面接触的从动节点所属单元是否受到拉应力作用。如果受到拉应力，则施加释放太原理工大学硕士研究生学位论文条件，使从节点脱离主面。这种算法存在的主要问题是：如果主面网格划分比从面细，那些主节点（ＭａｓｔｅｒＮｏｄｅ）以毫无约束的穿过从面（ＳｌａｖｅＳｕｒｆａｃｅ）（这是由于约束只施加于从节点上），形成所谓的“纽结”现象。当接触界面上的压力很大时，无论单元采用单点还是多点积分，这种现象都很容易发生。当然，好的网格可能会减弱这种现象。但是对于很多问题，初始构形上好的网格划分在迭代多次后可能会变得很糟糕，如爆炸气体在结构中的膨胀。由于节点约束算法较为复杂，目前在ＬＳ―ＤＹＮＡ程序中仅用于固连与固连一断开类型的接触界面（统称固连界面），主要用来将结构网格的不协调部分连接起来。（３）分布参数法（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＰａｒａｍｅｔｅｒＭｅｔｈｏｄ）分布参数法也是发展较早的一种接触面算法，Ｗｉｌｋｉｎｓ在１９６４年将该算法成功的应用到ＨＥＭＰ程序中，Ｂｕｒｔｏｎ等则在１９８２年将其应用在ＴＥＮＳＯＲ分析程序中。与节点约束法相比，这种算法具有较好的网格稳定性，因此被ＤＹＮＡ采用。目前，在ＬＳ．ＤＹＮＡ３Ｄ程序中用来处理接触．滑动界面的问题。该方法的基本原理是：将每一个Ｊ下在接触的从单元（ＳｌａｖｅＥｌｅｍｅｎｔ）的一般质量分配到被接触的主面面积上，同时根据每个正在接触的从单元的内应力确定作用在接受质量分配的主面面积上分布压力。在完成质量和压力的分配后，修正主面的加速度。然后对从节点的加速度和速度}