采煤機截割齒靜力學特性分析

(西山煤電集團公司屯蘭礦，山西太原030200)

0 引言

煤炭作為我國主要的能源資源，不僅對國民經(jīng)濟的發(fā)展至關(guān)重要，而且是經(jīng)濟高效增長的基礎(chǔ)。煤礦作為我國現(xiàn)階段主要能源，存儲量豐富，在我國化石能源中煤炭資源占比94%[1]。雖然近年來其它新能源利用比率不斷提升，但在目前及今后一段時間內(nèi)，煤炭仍將對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著及其重要作用。研究分析我國能源資源結(jié)構(gòu)比例可知，煤炭作為主要能源的現(xiàn)狀仍將存在，并且占據(jù)70%以上的一次能源需求[2]。煤炭工業(yè)的發(fā)展對我國經(jīng)濟的發(fā)展具有重要影響，這就對采煤工業(yè)機械化、無人化、不同工況適應(yīng)性提出了更高的要求。采煤機作為煤礦生產(chǎn)中完成對煤層的落煤、裝煤工序的主要設(shè)備，包括了電器、液壓、機械等復雜系統(tǒng)[3-4]。然而由于工作環(huán)境惡劣，采煤機截齒經(jīng)常出現(xiàn)脫落、開裂等問題，因此本文對截齒進行了靜力學分析，為截齒的設(shè)計、制造以及使用提供依據(jù)，從而提高截齒使用壽命和工作可靠性。

1 煤的性質(zhì)及破碎機理

采煤機在工作過程中，煤的物理機械性質(zhì)直接對整機工作性能產(chǎn)生影響，并且決定采煤機的設(shè)計制造和選用[5]。

1.1 煤的物理機械性能

通常情況煤的機械性指標包括強度、硬度、彈性、塑性、堅固性、截割阻抗等；物理性指標包含濕度、容重等。煤堅固性指煤的破碎難易程度，通常分為三個等級，即軟媒、中硬煤、硬煤，其衡量指標為堅固性系數(shù)f；截割阻抗可以理解為煤層在標準工況下被標準刀具截割時的抗割強度[6]。煤的破碎性系數(shù)描述煤的脆性程度以及生產(chǎn)粉塵的能力。

1.2 煤的破碎機理

圖1所示的鎬形截齒是采煤機上常見的截齒形式，其具有結(jié)構(gòu)簡單，堅實耐用的特點。采煤機工作過程中依靠安裝在螺旋滾筒上的截齒進行破煤和碎煤，通過滾筒慣性作用將煤塊運送至刮板輸送機，防止煤塊堆積。同時螺旋葉片上設(shè)置有噴嘴，工作過程中進行噴霧，降低工作面粉塵含量。

圖1 鎬形截齒幾何模型

圖2所示為截齒破煤機理示意圖，在螺旋滾筒的旋轉(zhuǎn)作用力下，截齒以一定速度進入煤層，當煤層受到的沖擊力大于其所能承受的最大力時，煤層開始破碎滑落。由于截齒特有的外形構(gòu)造，使得截齒在進入煤層尺寸越深，對煤層產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越大。如圖所示，在煤層1區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力最大，并且在AD和BC兩側(cè)面出現(xiàn)裂痕，最終ABCD區(qū)域沿著與2層的分界線整體脫落；2、3層應(yīng)力依次減小，隨著截齒的侵入在扇形區(qū)域依次脫落。

圖2 截齒破煤機理示意圖

2 采煤機截齒的受力分析

采煤機工作過程中，磨鈍截齒的平均截割阻力為[7]：

(1)

其中：f′為截割阻力系數(shù)，一般取0.38～0.42；kyj為平均接觸應(yīng)力與單向抗壓強度的比值，取值0.8～1.5；δy為單向抗壓強度，單位MPa；sd為截齒磨損面積在截割平面的投影面積，單位cm2；Z0為鋒利截齒截割阻力的平均值。

根據(jù)已有的經(jīng)驗公式，鋒利截齒截割阻力的平均值Z0可以表示為[7]：

(2)

式中：A為煤層抗切削強度，是正太分布的隨機變量，本文計算過程中取強度的平均值，200 N/mm；h為切削厚度，單位cm；t為截距的平均值，單位cm，取t=4 cm；β為截齒回轉(zhuǎn)平面與安裝軸線夾角；B脆性程度指數(shù)，本文取1；b為截齒截刃寬度，單位cm，本文取0.5d(d為鎬齒直徑)；k1、k2、k3、k4、k5分別為煤層壓張、工作面暴露、截齒截角、截齒刀頭形狀以及截齒配置方式影響系數(shù)，分別取值0.7、0.5、0.6、0.7、1；通過對(1)、(2)式進行計算，可得出截割阻力Z=30.2 kN；牽引阻力Y=kπZ=15.1 kN。

3 截割齒仿真分析

在暫不考慮截割齒動載荷影響的情況下，對其進行靜力學分析，根據(jù)受力情況將截割齒受力簡化為集中力進行分析，并做如下假設(shè)：1)截割齒在理論設(shè)計中可以在齒座中進行自轉(zhuǎn)，但是實際工作中由于銹蝕，煤粉堵塞及變形等因素的影響，大多數(shù)截割齒不能進行靈活轉(zhuǎn)動，因此在分析過程中假設(shè)截割齒固定不動；2)假設(shè)截割齒受到集中載荷作用，并且作用在刀頭部位[8]。

為了使建立的模型盡量接近實際工作狀態(tài)，在分析過程中考慮了截齒的安裝排列位置、傾斜角度以及受力的影響，在假設(shè)受到集中載荷作用的情況下，選取距離齒尖3 mm范圍內(nèi)的節(jié)點進行加載，并且參照文獻[9]施加切削力∶進給力∶側(cè)向力=1∶0.5∶0.4。運用ANSYS有限元分析軟件，對建立的模型進行受力分析，截齒受到齒座的約束，并在圓周方向不能轉(zhuǎn)動，對截齒根部全部約束后，簡化為懸臂梁模型。分別將刀頭和刀桿進行單元格細化，共劃分為11852個單元格，18098個節(jié)點。

3.1 截齒等效應(yīng)力分析

圖3所示為截齒的等效應(yīng)力圖，從圖可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在刀頭部位，為302.4 MPa。分析其產(chǎn)生最大應(yīng)力的原因主要是由于刀頭應(yīng)力集中過大，另外刀頭焊接處應(yīng)力也比較高。工作過程中隨著合金頭磨損脫落，截齒肩部與煤壁接觸面積增大，加速了合金頭的脫落，最終導致截齒失效。截齒根部受截割過程中進給力和側(cè)向力的影響，產(chǎn)生了較大的彎曲變形，顯現(xiàn)出較大的應(yīng)力變化。在實際生產(chǎn)過程由于截割部受力比較復雜，沖擊載荷作用較大且頻率較高，且刀頭本身內(nèi)部可能存在缺陷，往往容易出現(xiàn)斷裂失效。因此，為了提高截齒的使用壽命，從刀頭材料、焊接質(zhì)量和截齒根部穩(wěn)定性方面進行考慮。

圖3 截齒等效應(yīng)力圖

3.2 截齒等效應(yīng)變分析

圖4所示為截齒等效應(yīng)變圖，從圖可以看出，等效應(yīng)變最大值發(fā)生在刀頭附近的焊縫連接處，并沒有出現(xiàn)在刀頭部位。這是由于刀頭為硬質(zhì)合金材料，彈性模量大，應(yīng)變相對較小，而刀頭焊接處由于受集中載荷影響，與刀頭相比應(yīng)變較大。從圖中刀頭與導桿應(yīng)力的不連貫性也可以看出其對應(yīng)變敏感程度不一樣。分析結(jié)果表明，受集中載荷作用，刀桿與刀頭焊接處更容易發(fā)生破壞，這也是實際生產(chǎn)過程中刀頭容易脫落的一個重要原因。

圖4 截齒等效應(yīng)變圖

3.3 截齒縱截面輪廓線應(yīng)力分析

圖5-圖6所示為截齒外輪廓的等效應(yīng)力變化圖，從圖可以看出，對截齒整體而言，應(yīng)力最大值處于刀頭位置，其次為刀桿尾部，刀桿中部受力最小。刀桿尾部應(yīng)力增高的原因是由于尾部受進給力和側(cè)向力作用，發(fā)生彎曲變形造成的。另外截齒外側(cè)輪廓應(yīng)力要高于內(nèi)側(cè)，工作過程中外側(cè)更容易發(fā)生破壞。

圖5 截齒縱截面輪廓線取點示意圖

圖6 截齒縱截面輪廓線應(yīng)力變化圖

3.4 截齒橫截面輪廓線應(yīng)力分析

圖7-圖8所示為截齒橫截面輪廓線應(yīng)力分析圖，從圖可以看出在橫截面輪廓線各處所受應(yīng)力大小不同，并且差值變化較大。應(yīng)力從圖中1點處開始迅速下降，順時針圓周方向70°時應(yīng)力達到最小值，300°時應(yīng)力達到最大值。分析原因是由于截齒受側(cè)向力作用，側(cè)向力方向受力大，應(yīng)變較大，側(cè)向力反方向應(yīng)力變化較小。

4 結(jié)語

通過對采煤機截割部截齒進行受力計算，得出其所受的牽引阻力及截割阻力。根據(jù)實際情況對截齒工作狀態(tài)進行簡化后，通過運用ANSYS有限元分析軟件，對建立的模型進行靜力學分析，分析結(jié)果表明截齒刀頭處受到等效應(yīng)力最大，刀桿與刀頭焊接處應(yīng)變最大，應(yīng)力和應(yīng)變的受力特點是造成刀頭脫落的主要原因；由于尾部受進給力和側(cè)向力作用，發(fā)生彎曲變形造成截齒外側(cè)輪廓應(yīng)力要高于內(nèi)側(cè)，工作過程中外側(cè)更容易發(fā)生破壞；沿著截齒橫截面輪廓線應(yīng)力分布結(jié)果表明，側(cè)向力方向受力大，應(yīng)變較大，側(cè)向力反方向應(yīng)力變化較小，且應(yīng)力變化幅度較大。