采煤機(jī)滾筒端盤(pán)截齒角對(duì)截割載荷特性的影響

關(guān)麗坤，楊 濤，任學(xué)平

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

采煤機(jī)螺旋滾筒斜切進(jìn)刀的瞬間，端盤(pán)截齒與煤巖接觸并受到?jīng)_擊，導(dǎo)致截齒破壞、脫落，滾筒載荷發(fā)生突變，影響截割部工作性能及其可靠性。尹力等[1]用離散化算法將單個(gè)截齒受力特性疊加，得到滾筒總體在不同方向上的載荷。李強(qiáng)，毛軍等人[2]通過(guò)MATLAB研究采煤機(jī)在斜切進(jìn)刀工況下滾筒載荷的變化特性，研究范圍有局限性。兩篇文獻(xiàn)中缺少對(duì)單個(gè)截齒隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)瞬間截割煤巖的受力情況的研究。侯亮，馮繼玲等人[3]以單個(gè)端盤(pán)截齒為研究對(duì)象，應(yīng)用離散元模擬截齒在截煤過(guò)程中受到的合力。文獻(xiàn)中針對(duì)截齒受到的合力進(jìn)行分析，缺少對(duì)不同安裝角度的截齒截割煤巖受三向力的特性研究。從上述文獻(xiàn)可以看出，學(xué)者們側(cè)重研究滾筒整體載荷特性，而忽略對(duì)單個(gè)端盤(pán)截齒載荷的研究。端盤(pán)截齒工作狀態(tài)復(fù)雜多變，對(duì)其載荷特性的研究尤為重要。

基于以上人員的研究，本文利用ABAQUS仿真軟件分析了在不同安裝角度的截齒截割煤巖時(shí)，截齒的載荷特性，為端盤(pán)截齒的安裝和設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 端盤(pán)圓周截齒截割煤巖參數(shù)模型的建立

依據(jù)采煤機(jī)滾筒型號(hào)，配合U94截齒，如圖1所示，圓周切向安裝角β0=50°。如圖2所示[4]，β1為二次旋轉(zhuǎn)角，β2為軸向傾斜角，選用工況一：β1=2°，β2=6°；工況二：β1=5°，β2=10°；工況三：β1=8°，β2=15° 3種工況的端盤(pán)截齒作為研究對(duì)象，利用solidworks建立端盤(pán)截齒模型，截齒合金頭錐角75°，齒身長(zhǎng)166mm，滾筒直徑2000mm。截齒齒尖選用硬質(zhì)合金，齒身和端盤(pán)選用具有較高強(qiáng)度和韌性的42CrMo，具體材料參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 圓周切向安裝角

煤巖沉積后具有層理、節(jié)理及非均質(zhì)性等特

圖2 截齒空間角度

材料彈性模量/GPa泊松比齒尖硬質(zhì)合金6500.22齒身、端盤(pán)42CrMo2000.30

點(diǎn)，是一種各向異性非勻質(zhì)的脆性材料。為了準(zhǔn)確模擬煤壁破碎過(guò)程，將采用ABAQUS軟件中混凝土脆性破碎本構(gòu)模型建立煤巖的物理模型[5]。模擬煤壁脆性破裂模型的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 煤巖脆性破裂模型參數(shù)

2 端盤(pán)圓周截齒截割煤巖的有限元仿真

建立簡(jiǎn)化的端盤(pán)截齒截割煤巖仿真模型，將端盤(pán)和截齒約束在同一參考點(diǎn)上設(shè)置為剛體研究截齒受到的三向力，根據(jù)實(shí)際工況將煤巖設(shè)置為四周固定的變形柔性體，施加端盤(pán)在X軸方向上的位移和繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。滾筒轉(zhuǎn)速為23r/min，所轉(zhuǎn)1周的時(shí)間為2.64s，為了縮短計(jì)算時(shí)間，設(shè)置端盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)1/4周，對(duì)應(yīng)時(shí)間為0.33s，端盤(pán)牽引速度為2.14mm/s，在X方向的位移為0.7mm。對(duì)截齒齒尖與煤巖接觸部位的網(wǎng)格進(jìn)行精確劃分，齒尖單元9131個(gè)，煤壁單元668760個(gè)，從而保證瞬時(shí)仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性。

截齒截割煤巖屬于碰撞、沖擊的研究范疇，采用面-面，通用接觸(Explicit)來(lái)定義截齒與煤巖的接觸。在初始分析步(Initial)和動(dòng)力顯示分析步(step-1)中分別設(shè)置場(chǎng)輸出和歷程輸出以得到煤巖體被切削破壞時(shí)的應(yīng)力，以及截齒所受到的截割載荷。

圖3 截齒截割煤巖應(yīng)力

如圖3所示，利用ABAQUS可以準(zhǔn)確地模擬煤巖的破碎過(guò)程并與Evan提出的煤巖破碎機(jī)理相符合，截齒以一定速度撞擊煤壁，齒尖楔入煤巖單元中，使單元產(chǎn)生接觸應(yīng)力，隨著接觸面積增加，應(yīng)力增大。當(dāng)接觸應(yīng)力超過(guò)網(wǎng)格之間抗拉強(qiáng)度時(shí)，煤巖在截割力作用下破碎崩落，并且隨著截齒軸向傾斜角和二次旋轉(zhuǎn)角增加，崩落效果增強(qiáng)。

端盤(pán)在逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中截齒所受三向力如圖4所示：x方向的截割阻力，y方向的牽引阻力，z方向的側(cè)向阻力。

三向力在截齒截割過(guò)程中出現(xiàn)突然增大突然減小的現(xiàn)象，是由于截割過(guò)程阻力增大使得煤巖崩落，崩落后截齒與煤巖留有空隙會(huì)出現(xiàn)受力突然減小的現(xiàn)象，繼續(xù)與煤巖接觸，截齒受力突然增大，循環(huán)往復(fù)與實(shí)際工作情況相符合。

3 不同安裝角截割煤巖受力分析

端盤(pán)截齒安裝角不僅影響采煤機(jī)的破煤效率，而且對(duì)滾筒瞬時(shí)受力也有很大影響。截齒斜切入煤巖，隨著軸向傾斜角和二次旋轉(zhuǎn)角逐漸增大，有利于滾筒破煤，但安裝角增大會(huì)出現(xiàn)齒柄與煤巖干涉的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致截齒工作阻力增大，截齒過(guò)度損耗。

圖4 截齒三向力曲線

為了得到截齒不同安裝角截煤時(shí)的平均阻力，導(dǎo)出圖4中的曲線odb文件到MATLAB軟件中，從而得到截割煤巖過(guò)程中的平均阻力如表3所示。隨著安裝角的增大截齒所受牽引阻力和側(cè)向阻力變化平穩(wěn)，沒(méi)有明顯的增大趨勢(shì)，但截割阻力沒(méi)有變緩的趨勢(shì)，相反一直在增加。β1=8°，β2=15°的截齒在0.18s截割阻力達(dá)到最大27.5kN，載荷波動(dòng)比其他2種工況劇烈?？梢钥闯霭惭b角對(duì)截割阻力的影響遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)牽引阻力和側(cè)向阻力的影響。

表3 3種截齒所受平均阻力

4 結(jié) 論

采用ABAQUS有限元?jiǎng)討B(tài)仿真端盤(pán)截齒截割煤巖，可以準(zhǔn)確地模擬煤巖破碎崩落的過(guò)程，并且ABAQUS模擬煤巖破碎過(guò)程與Evan提出的煤巖破碎機(jī)理相符合。證明ABAQUS在采煤機(jī)械研究領(lǐng)域的模擬仿真具有可行性。

截齒不同的安裝角度對(duì)其三向力的影響也是不同的，隨著軸向傾斜角和二次旋轉(zhuǎn)角的增加，截割阻力顯著增加，牽引阻力和側(cè)向阻力相比截割阻力在滿(mǎn)足齒座與煤壁不摩擦的前提下，盡可能減小截齒的軸向安裝角

[參考文獻(xiàn)]

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