編輯/扶蘇秘史

礦業，作為全球經濟的基石，長久以來被視為國家工業和經濟發展的重要支柱，隨著技術的不斷進步，採礦設備逐漸從簡單的手工操作轉向自動化、智能化的機械設備。其中，錨杆採礦機因其在礦井穩固、開採等方面的重要作用，成為現代礦山裝備的代表。

然而，在高強度、長時間的作業條件下，這些設備面臨的疲勞問題

日益凸顯，特別是設備的關鍵部分，如切削臂，其疲勞壽命直接關係到整個採礦操作的安全性、效率和經濟性。刀頭作為與岩石直接接觸的部件，其載荷對切削臂的影響尤為顯著。

對於礦業工程師和研究者而言，理解刀頭載荷如何影響錨杆採礦機切削臂的疲勞壽命並不僅是一個技術問題，更是一個至關重要的實際問題。

有效的監測、預測和控制刀頭載荷，可以顯著延長切削臂的使用壽命，降低設備的維修成本，提高採礦效率，並最重要的，確保工人的生命安全。

01

錨杆採礦機切削臂結構

錨杆採礦機切削臂結構的複雜性和工作原理的精密性，使得它在礦山作業中扮演著不可或缺的角色，切削臂的設計和工作原理密切相連，共同確保礦石的高效切削和開採。

切削臂的結構複雜，通常由幾個關鍵部件組成，每個部件都發揮著獨特的功能，以保證整個系統的高效運行。

主臂是切削臂的主要支撐結構，它負責承受切削作業產生的各種力和壓力，主臂通常採用高強度合金鋼製成，以確保其在高負荷下的穩定性和耐久性。

副臂連接在主臂末端，起到平衡和支撐的作用，通過副臂的調整，切削臂可以在不同的角度和位置進行切削操作，實現多樣化的礦石切削需求。

刀頭連接件是將切削工具（刀頭）與切削臂連接的部分，它需要具備牢固的固定能力，以確保刀頭在切削過程中不會鬆動或脫落。

液壓系統是切削臂的動力源，通過液壓缸和液壓閥控制切削臂的運動，液壓系統的精確控制使得切削臂可以在各個方向上進行精準的運動和定位。

切削臂的工作原理涉及多個步驟，從切削操作到岩石的破碎和收集，每個步驟都在保證高效開採的過程中起著關鍵作用。

操作人員需要將切削臂準確地定位到目標岩石表面，通過液壓系統的控制，切削臂可以在垂直和水平方向上進行微調，以確保切削的準確性和精確性。

隨後，切削工具，即刀頭，開始旋轉或擺動，施加在岩石表面的切削力，這些切削力將導致岩石的破碎和剝離，為後續的開採作業創造條件。

在切削過程中，岩石顆粒會被破碎並通過切削臂周圍的開口收集起來，這些被破碎的岩石顆粒將在切削作業後被移除或運輸。

為了實現更大範圍的切削，切削臂通常進行往復運動，液壓系統的精確控制使得切削臂可以在各個方向上進行平穩的往復運動，實現均勻的切削效果。

02

錨杆礦工動力學模型

以EJM 340錨杆機為研究對象的研究，採用了SolidWorks軟件，根據實際尺寸創建了包括切割頭、切割臂和機身在內的3D模型。

為了使模型更為簡潔，不必要的部件被移除，隨後，該模型被導入RecurDyn軟件，為每個零件添加了材料屬性、約束、載荷等仿真參數，以模擬錨杆機的運動特性。

為了確保模擬的準確性，切割液壓缸與切割臂之間使用襯套力進行連接，滑動支架也與切割臂連接，為了避免多餘的約束，採用了襯套力連接而非革命性的接頭，同時，軸套力的旋轉軸剛度被設置為0，以更好地模擬實際運動情況。

為了分析切割臂在交變外部載荷下的表面損傷，切割臂被建模為柔性體，並採用有限元法進行損傷分析。

在網格劃分方面，使用了四面體單元對構件進行了劃分，同時採用了力分佈剛性單元來連接剛性和柔性部分，在模態約簡方面，採用了模態約簡技術，將有限元分量轉化為模態柔性體。

這種方法通過使用模態矢量和座標來描述彈性變形，有效地減少了計算負擔，同時保持了對動態屬性的精確描述，為確保準確性，研究考慮了切割臂的前20種模態。

在這項研究中，考慮到煤在切割前處於巨大的結構狀態，切割過程中會發生碎裂，因此煤顆粒之間的存在關鍵的鍵合。

為了模擬這種鍵合，研究採用了具有鍵合效應的赫茲-明德林模型，該模型被用來描述煤顆粒之間的接觸，其中兩個標準球形粒子a和b之間的鍵合模型被構建，它們的半徑分別為Ra和Rb。

在這個模型中，虛線區域代表了粘結結構的圓柱樑，這是一個虛擬的區域，其中心為Oc，在這個區域內，力和力矩可以在接觸的顆粒之間傳遞，並且可以承受切向和正常運動。

在粘結後，顆粒上的力（Fn，t）/扭矩（Tn，t）被設定為零，並在每個時間步根據公式進行增量調整。

在這個模型中，δFn，t表示法向力和切向力，δTn，t表示法向力和切向力矩，δt表示模擬的時間步長，Sn，t表示法向剛度和切向剛度，vn，t表示粒子的法向和切向速度，ωn，t表示粒子的法向和切向旋轉角速度，A和J分別是鍵區的橫截面積和鍵的極慣性矩，R是鍵的半徑。

這種粘合接觸模型適用於具有有限尺寸“膠水”鍵的顆粒，這種粘結可以抵抗切向和法向運動，直至達到最大法向和切向剪切應力，此時粘結斷裂，

其中σmax和τmax分別代表臨界法嚮應力和剪切應力，這些參數共同描述了鍵的力-位移特性。

03

雙向耦合設置

錨杆採礦機的挖掘過程受到多種耦合因素的影響，諸如工作機構參數、運動學參數、岩石材料特性以及切割頭與隧道之間的相互作用等因素，都直接或間接地影響著錨杆採礦機的開挖過程和動力學行為。

雙向耦合模擬是基於EDEM-RecurDyn的耦合模型進行的，在EDEM中的每個時間步，RecurDyn將耦合組件的位移、速度、加速度等運動學參數傳遞給EDEM。

EDEM根據這些參數重新計算耦合組件的位置變化對材料顆粒的力、位置和速度等參數的影響，基於離散元理論，EDEM計算耦合元件上材料粒子的力和力矩，並將計算結果傳輸回RecurDyn。

RecurDyn則基於多體動力學理論重新計算耦合組件的動力學參數，實現數據的雙向傳遞。

信息在RecurDyn和EDEM之間以牆格式文件進行交換，值得注意的是，在操作過程中，只有切割頭與隧道進行相互作用，其餘部件不與隧道發生交互。

為了提高仿真效率，研究使用了RecurDyn外部SPI模塊的導出功能，將切割頭的3D模型導出為牆文件，並將該文件導入EDEM軟件中。

整個耦合模擬過程涉及到RecurDyn預先模擬切割頭的位置和速度數據，然後將這些數據傳遞到EDEM中，在同一時間點進行計算。

這種交替模式會持續進行，直到仿真時間達到預設的結束時間為止，由於EDEM採用顯式時間積分方法，通常需要多個時間步長來模擬與RecurDyn相同的時間段，因此，兩個求解器之間的時間步長可能不完全相同，但整體仿真步驟是相互協調的。

鑑於實驗室計算機的實際性能，研究將離散元方法和RecurDyn的時間步長分別設定為1×10^-5秒和0.01秒，總仿真時間為30秒。

這一耦合模擬方法不僅充分考慮了錨杆採礦機的多種耦合因素，還在模擬過程中保持了良好的一致性和準確性，通過結合DEM-MFBD原理以及EDEM和RecurDyn軟件，研究成功地建立了一個全面的雙向耦合模型，為錨杆採礦機的挖掘過程提供了深入的洞察和分析。

04

仿真結果

切削頭受到的載荷主要包括分佈在 x、y 和 z 方向上的合力 Fx、Fy 和 Fz，以及沿其軸線的力矩 M。

由於煤層顆粒的隨機填充，切削頭受到的外部力會出現波動，在挖掘階段，隨著深度增加，載荷逐漸增加，在深度達到500 mm時達到最大值。

而在切削階段，由於切削深度相對較小，外部載荷的波動更為穩定，振幅低於挖掘階段。

切削臂的最大應力點位於其橫截面形狀變化的地方，尤其是在節點2532處，最大應力值為162 MPa，小於切削臂材料ZG20SiMn的屈服強度（322.8 MPa），具有安全係數為2，因此被認為是高循環疲勞區域。

裂紋的起始和擴展主要發生在結構表面，為此，需要使用張量變換方法將有限元分析得出的結構應力轉化為單元表面上的應力，隨著切割深度的增加，應力也逐漸增加。

在時間t=10 s時，挖掘深度達到最大，此時應力值也達到最大，在煤炭切割的初始階段，隨著切削的繼續，應力逐漸減小並在一定範圍內波動。

節點上的載荷是隨機變化的動態應力時間歷史，這是因為隧道對切削頭施加了隨機的激勵。

05

疲勞壽命計算

疲勞損傷是由反覆加載引起的損傷積累而導致的，在任何應力下，組件都可能遭受損壞，而這種損壞是永久性且逐漸累積的。

當累積的損傷使組件接近其疲勞壽命的極限時，就會發生疲勞失效，線性損傷累積理論假設每個應力引起的損傷是相互獨立的，因此可以線性累積。

線性累積損傷理論顯著簡化了疲勞機理，從而使計算變得簡單而準確，本研究採用線性疲勞損傷累積理論，計算切削臂的總損傷和疲勞壽命。

特定負載循環引起的損傷由式（8）計算得出，其中 N_i 代表在應力 σ_i 下部件的疲勞壽命，n_i 代表在應力 σ_i 下的循環次數。

在下圖中展示了使用錨杆採礦機進行挖空切割操作流程的最小週期切削臂的壽命分佈。

紅色部分表示壽命最短，而藍色部分表示壽命最長，切削臂中的最小壽命節點位於節點2532處，其循環數為652280，與切削臂橫截面形狀變化的位置相對應，同時，耳掛和切割臂連接區域的壽命較短。

切削臂的疲勞壽命分佈與應力分佈一致，表明應力分佈是主要的影響因素，在一個挖空-切割循環中，錨杆機的掘進深度為5.326140 m，總隧道深度為9 m。

其中 L 表示隧道深度，n 表示循環數。

為了驗證仿真結果的準確性，在煤礦掘進工作面運行的錨杆機上進行了實驗，如圖14所示，當掘進深度達到298432 m時，切削臂表面出現疲勞裂紋。

儘管由於仿真中未考慮隧道中裂縫和脈石的影響，實際疲勞壽命略低於仿真結果，但誤差仍在合理範圍內，實際裂紋位置與仿真結果一致，從而驗證了基於DEM和MFBD的雙向耦合疲勞分析方法的合理性和可行性。

結論

綜合研究結果可知，刀頭載荷對錨杆採礦機切削臂疲勞壽命產生顯著影響，為我們深入瞭解該領域的工程實踐和科學理論提供了有力支持。

經過基於RecurDyn-EDEM的協同仿真方法，能夠準確模擬隧道切割過程中切削臂所受的動態載荷，進而分析其應力-時間歷史。

採用線性疲勞損傷理論，定量地評估了切削臂的疲勞壽命，並通過與實驗結果的比對驗證了計算方法的可靠性。

然而，研究也揭示了一些侷限性，如未考慮隧道內部複雜環境對疲勞性能的影響。

在未來的研究中，將進一步探究隧道中脈石和斷層等因素對切削臂疲勞壽命的影響，以更準確地反映實際情況，這將為改進錨杆採礦機設計、操作和維護提供更全面的依據。

總之，研究為理解刀頭載荷，對錨杆採礦機切削臂疲勞壽命的影響機理提供了深入見解，這不僅對於採礦機械的性能優化具有重要意義，也為安全高效的礦山生產提供了科學支撐，未來的研究將在更多的實際條件下展開，進一步完善我們對礦山機械疲勞失效行為的認識，從而為礦業領域的可持續發展貢獻更多的智慧和創新。