采煤機(jī)滾筒截齒的載荷分析及性能研究

郭鑫鑫

(山西晉煤集團(tuán)寺河礦，山西 晉城市 048000)

0 前 言

我國是煤炭資源大國，滾筒采煤機(jī)是機(jī)械化采煤作業(yè)的一類重要設(shè)備，起到截煤、落煤、運(yùn)煤的作用，在煤炭開采中發(fā)揮著重要作用。由于煤巖不是完整的質(zhì)料均勻的各向同體，所以煤巖性質(zhì)和結(jié)構(gòu)都較為復(fù)雜，采煤機(jī)在截割過程中的負(fù)載也十分復(fù)雜，因此采煤機(jī)工作機(jī)構(gòu)的載荷具有非線性、時(shí)變性和強(qiáng)耦合性等的特點(diǎn)[1]。采煤機(jī)滾筒截齒是直接與煤巖截齒并參與截割的部件，其工作機(jī)理、工作狀態(tài)、受載情況都直接影響著采煤機(jī)的可靠性、塊煤率、截割效率和截割比能耗等性能參數(shù)。因此非常有必要對(duì)采煤機(jī)滾筒截齒的工作機(jī)理和負(fù)載情況進(jìn)行研究，對(duì)于提高采煤機(jī)的工作效率具有重要意義。

1 鎬齒破煤機(jī)理

采煤機(jī)滾筒截齒一般為鎬形截齒。鎬齒尖楔入煤巖體，截齒與煤體接觸面的周圍邊界處沿徑向產(chǎn)生拉應(yīng)力，這個(gè)拉應(yīng)力使煤體表面產(chǎn)生裂紋。隨著截齒的深入，截割力增加，壓力超過煤巖體的抗壓強(qiáng)度而使其產(chǎn)生裂紋。隨著鎬齒的楔進(jìn)深度不斷增加，煤巖體內(nèi)的張力也不斷增大[2]，裂紋不斷發(fā)展、交匯，形成粉碎體，經(jīng)過齒尖的不斷擠壓逐步形成密實(shí)核，當(dāng)截齒齒尖與煤巖之間存在間隙時(shí)，密實(shí)核就會(huì)被擠壓彈射出去。若密實(shí)核被煤體封閉未能彈射出去，密實(shí)核對(duì)煤巖產(chǎn)生壓力迅速增加，使得煤巖體區(qū)域ABCD迅速崩落，截割力迅速降低，完成一次截割過程。

截齒破煤是煤體變形、煤體中損傷積累及破壞的一個(gè)過程，其機(jī)理見圖1。截齒在截割過程中分別經(jīng)歷變形階段、裂紋階段、形成密實(shí)核階段、裂紋擴(kuò)展和崩落階段。整個(gè)煤巖的截割過程就是這4個(gè)階段循環(huán)往復(fù)的作用過程。

圖1 截齒破煤機(jī)理

2 采煤機(jī)滾筒瞬時(shí)載荷

采煤機(jī)在截割過程中要克服煤巖的阻力，受到煤巖作用在截齒前刃面上的截割阻力、作用在截齒后刃面上的牽引阻力和作用在側(cè)刃面上的側(cè)向力以及作用于螺旋葉片上的裝煤反力等多重載荷作用[3]，采煤機(jī)切入煤壁時(shí)還將受到一個(gè)附加的軸向力，截齒受力如圖2所示。

圖2 滾筒單齒受力分析

(1) 滾筒上截齒所受瞬時(shí)截割力Zcp的計(jì)算[4]：

Zcp=Z0+f′(ycp-y0)

(1)

式中，Z0為截割力，N；ycp-y0為截齒磨鈍時(shí)牽引力增量;f′為截割阻抗系數(shù)。

(2) 滾筒上截齒的牽引阻力Ycp和側(cè)向力Xcp的計(jì)算：

Ycp=(0.5～0.7)Zcp

(2)

Xcp=(0.1～0.2)Zcp

(3)

(3) 滾筒葉片上裝煤反力RS的計(jì)算：

RS=1000×π/4×(D2sr-D2g)

×(1-δ×Z/L×cosα)

×B×WZ×Ψ×γ，N

(4)

式中，Dsr為滾筒有效直徑；Dg為筒轂直徑；δ為葉片厚度；Z為葉片頭數(shù)；L為葉片導(dǎo)程；α為葉片螺旋升角；B為滾筒截深；WZ為阻力系數(shù)；Ψ為滾筒充滿系數(shù)；γ為松散煤容重。

(4) 采煤機(jī)切入煤壁時(shí)滾筒受到的附加軸向力Xq的計(jì)算：

(5)

式中，D為滾筒直徑；L2為后滑靴中心到前滾筒煤壁側(cè)端面中心的距離；L1為導(dǎo)向滑靴間的距離；α0為切入煤壁時(shí)采煤機(jī)的最大旋轉(zhuǎn)角度；Ry為牽引阻力；K2為截割力增加系數(shù)。

為了充分了解采煤機(jī)的性能，節(jié)約試驗(yàn)的成本，普遍采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)采煤機(jī)的性能進(jìn)行分析研究。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)結(jié)合采煤機(jī)的實(shí)際工況進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果與實(shí)際情況十分相符，而且縮短了試驗(yàn)研究的周期，節(jié)約了大量人力物力，因此該技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。虛擬樣機(jī)技術(shù)的基本分析過程是：利用Pro/E對(duì)零部件進(jìn)行建模，并裝配成整機(jī)，通過Pro/E和ADAMS接口MECHANISM/Pro將其導(dǎo)入動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS中，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS劃分網(wǎng)格，并進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，然后將其保存為模態(tài)中性文件(MNF)，直接讀取到動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS中建立柔性體，形成剛?cè)狁詈暇蜻M(jìn)機(jī)的虛擬樣機(jī)[5]，如圖3所示。根據(jù)采煤機(jī)瞬時(shí)載荷計(jì)算公式，計(jì)算出載荷，加載到采煤機(jī)剛?cè)狁詈夏Ｐ椭校蓪?duì)整機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，也可對(duì)某一部位或者某些部件進(jìn)行分析，對(duì)優(yōu)化采煤機(jī)性能具有很大參考價(jià)值[6]。

圖3 剛?cè)狁詈系奶摂M樣機(jī)

通過采煤機(jī)滾筒瞬時(shí)載荷的計(jì)算公式(1)～公式(5)可計(jì)算出瞬時(shí)載荷，將理論計(jì)算出的三向力和三向力矩的載荷文本導(dǎo)入ADAMS，如圖4、圖5所示。可對(duì)采煤機(jī)關(guān)鍵部位的應(yīng)力、變形情況進(jìn)行分析。可對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行改善，對(duì)應(yīng)力集中區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖4 導(dǎo)入ADAMS的外載荷力

圖5 導(dǎo)入ADAMS的外載荷力矩

3 采煤機(jī)滾筒截齒的性能研究

采煤機(jī)滾筒截齒是采煤機(jī)的易損易耗件，其性能對(duì)采煤機(jī)的整機(jī)效率具有重要作用。截齒在使用過程中，常見的故障有腐蝕磨損、刀頭脫落、齒身彎曲、齒身折斷、截齒丟失等[7]。截齒的發(fā)生故障可嚴(yán)重影響機(jī)器的生產(chǎn)能力，使得截割功率消耗和截割、運(yùn)行阻力以及煤塵生成量急劇增加，使機(jī)器產(chǎn)生劇烈的負(fù)荷變化，造成機(jī)器工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生煤機(jī)飄刀、外甩掉道或損壞滾筒、減速器軸承和齒輪等機(jī)械事故，甚至?xí)斐蓾L筒提前報(bào)廢。

截齒對(duì)采煤機(jī)性能的影響因素：

(1) 截齒發(fā)生丟齒現(xiàn)象后，截割阻力會(huì)急速增大，截割阻力越大，截齒的損耗越大，對(duì)采煤機(jī)帶來的危害越大。

(2) 截齒的消耗量隨采高的增加而減少。因?yàn)楣ぷ髅娴拿簬r存在壓出效應(yīng)，采高越大，該效應(yīng)越明顯，截齒的截割越省力，截齒的磨損越小，截齒消耗越小。

(3) 截齒的損耗受采煤機(jī)的牽引速度以及滾筒轉(zhuǎn)速影響較大。隨著采煤機(jī)的牽引速度增加而減少，隨著滾筒的轉(zhuǎn)速的增加而增加。因?yàn)楫?dāng)牽引速度增加時(shí)，截齒的切削厚度增加，截割單位體積煤巖的路徑變短，致使截齒的磨損減少，齒耗降低。

(4) 滾筒的結(jié)構(gòu)、截齒的排列、截齒的耐磨性能、煤巖的性質(zhì)等均會(huì)對(duì)截齒的性能產(chǎn)生一定的影響。

4 結(jié) 論

通過對(duì)采煤機(jī)滾筒截齒的破煤機(jī)理、瞬時(shí)載荷進(jìn)行分析，對(duì)一線生產(chǎn)過程中日常維護(hù)采煤機(jī)有一定的積極指導(dǎo)作用。同時(shí)根據(jù)對(duì)影響掘進(jìn)機(jī)截齒的的因素進(jìn)行合理地調(diào)整和利用，可以極大地提高采煤機(jī)的生產(chǎn)效率，以獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。