碟盘刀具振动与切削破碎煤岩力学特性的数值模拟

为获得碟盘刀具的运动与结构参数在轴向振动与径向切削复合破碎煤岩过程中的力学特性,运用ABAQUS有限元分析软件,建立等效单刀齿复合破碎煤岩的三维实体模型,采用单因素实验方案,分析不同运动与结构参数作用下煤岩体的应力状态与刀具的载荷。结果表明:刀齿轴向向自由面方向振动时,煤岩体中应力主要分布在刀齿齿尖与楔面处,拉应力区域集中在齿尖处,压应力主要分布在楔面上方,随着刀具向自由面方向振动应力区域向齿尖处扩展。刀齿径向载荷和轴向载荷峰值的周期性与振动过程和方向有正相关性。刀齿径向载荷与振动幅值和频率成反比,与径向速度和切削厚度成正比,轴向载荷与切削厚度成正比。该研究对碟盘刀具破碎煤岩的深入分析和高效破岩机构的设计有着基础性借鉴意义。

碟盘刀具振动切削煤岩的理论力学模型与载荷特性

针对煤岩机械刀具破碎煤岩寿命和效率低的问题,提出一种具有轴向振动与径向切削破碎煤岩的方法,为探明碟盘刀具在轴向振动与径向切削破碎煤岩的力学特性,通过分析煤岩崩落面积、当量崩落角、载荷的集中力及其作用位置角,以单位断裂面上受力极限强度和最小能量法的准则,构建碟盘刀具破碎煤岩力学模型。基于扩展线性Drucker-Prager塑性本构模型,采用ABAQUS软件模拟碟盘刀具破碎煤岩的应力云图和载荷特性,在振动切削试验台上通过设定振动频率和振幅等参数测试不同切削厚度下的碟盘刀具破碎煤岩的载荷谱,提取数值模拟和试验碟盘刀具破碎煤岩的载荷特征,对比分析理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值和数值模拟峰值的均值。结果表明:碟盘刀具破碎煤岩的破裂范围呈现月牙状,由中间向两侧递减;振动切削煤岩时其径向载荷明显小于单作用径向切削煤岩的载荷;碟盘刀具在轴向振动与径向切削时不同切削厚度径向载荷理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值的平均误差为9.12%,与试验载荷峰值均值的平均误差为4.88%;轴向载荷理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值的平均误差为9.25%,与试验载荷峰值均值的平均误差为8.34%。通过数值模拟和试验研究验证了碟盘刀具理论模型的准确性。