采煤機截齒分析與優(yōu)化

曹珍珍

（山西省呂梁市柳林縣煤炭工業(yè)局， 山西 呂梁 033300）

引言

采煤機是煤礦井下采煤的關(guān)鍵設(shè)備之一，我國大多數(shù)使用的是滾筒采煤機，采煤機上的截齒是截割煤巖塊的主力零件。由于井下工況環(huán)境十分惡劣與復(fù)雜，突出堅硬煤巖體較多，所以采煤機滾筒失效時有發(fā)生。而且為了使對煤巖體的破壞力度達(dá)到最大，一般采用尖銳的滾筒截齒，這樣會減輕截齒上的力，破碎煤巖體。采煤機截齒的采煤方式是通過旋轉(zhuǎn)的方式，所以截齒磨損部位大都相同，為了保持截齒的尖銳性，滾筒一般采用的是自磨刃的方式。為了保持采煤機的高工作效率，還需對采煤機運行時截齒的受力進行分析，對其結(jié)構(gòu)進行調(diào)整改進，從而提升采煤機工作性能。

1 采煤機截齒破煤的機理分析

1）破煤原理主要是依靠采煤機滾筒截齒的齒尖楔入煤巖體內(nèi)部，造成煤巖體內(nèi)部壓張力不斷增加，而且滾筒截齒會不斷地撞擊煤塊，使得截齒齒尖深入煤體的距離越來越長，這樣內(nèi)部壓力就會越來越大，被粉碎的煤巖體界面也會持續(xù)擴張。此外，受到較大壓力的表明會出現(xiàn)深深的裂紋，造成煤巖體變形，這就是扇形落煤形成的過程。

2）為了避免采煤機截齒在破煤時遇到堅硬煤體而發(fā)生振裂，需要采用一些硬度較高的截齒材料，良好的截割性能不光要破煤簡單，還需價格低廉、組裝簡單、運移方便等，如此，才能保證井下工作的持續(xù)有效進行，降低生產(chǎn)成本，增大企業(yè)經(jīng)濟效益。但是采煤機在井下的工作環(huán)境是十分復(fù)雜的，而且煤巖性質(zhì)多樣化，這些都有可能導(dǎo)致滾筒截齒失效。

1.1 磨損失效形式

1.1.1 磨粒磨損

磨粒磨損一般發(fā)生在截齒表面，當(dāng)截齒切割煤體時，會切下許多煤粒小塊，我們稱之為磨粒，磨粒與截齒會產(chǎn)生相對運動或者直接吸附在截齒表面，產(chǎn)生變形流動。當(dāng)磨粒表面尖銳時，會劃傷截齒表面，當(dāng)磨粒表面平整圓滑時，就會產(chǎn)生變形流動，使得截齒表面附著大量磨屑。

1.1.2 疲勞磨損

當(dāng)截齒在井下切割煤體過程中，煤體會對截齒產(chǎn)生一個反作用力，使得煤體不斷遭受沖擊，而且還會受到力的循環(huán)作用，這些沖擊和力的循環(huán)使得截齒會出現(xiàn)疲勞失效。

1.1.3 腐蝕磨損

煤巖體中會包含許多腐蝕性物質(zhì)，當(dāng)采煤機滾筒截齒破壞掉煤體中的腐蝕物質(zhì)，會與截齒表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使得截齒表面和齒尖變得光滑不尖銳，割煤效果大大降低，從而使得采煤機性能相對下滑。

1.1.4 刀頭脫落

由于截齒在截割煤巖體的過程中受到煤巖體的不斷沖擊，井下復(fù)雜環(huán)境的干擾，使得截齒磨損越來越嚴(yán)重，截齒的齒尖刀頭與滾筒連接出現(xiàn)脫落，使得刀頭完全脫離滾筒。

1.2 刀頭振裂

截齒在井下采煤過程中會遇到硬度特別大的巖體，當(dāng)遇到硬度較大巖體時，在原有壓應(yīng)力的基礎(chǔ)上會增加截齒的剪切應(yīng)力，當(dāng)剪切應(yīng)力的強度超過了滾筒截齒所能承受的極限強度時，就會發(fā)生刀頭振裂，使得采煤機無法正常工作。

1.3 齒身彎曲與折斷

采煤機采煤時，截齒的剛度和結(jié)構(gòu)尺寸必須符合破煤的最佳要求，如果尺寸不合理時，當(dāng)遇到硬度較大巖石時，截齒受到反作用力較大時，截齒的結(jié)構(gòu)會發(fā)生彎曲，嚴(yán)重時可出現(xiàn)齒身折斷的現(xiàn)象。

2 滾筒截齒失效對采煤機的影響

1）滾筒失效對采煤機較大的危害就是縮短了采煤機的使用壽命，當(dāng)截齒磨損失效時造成了采煤機負(fù)載的改變，使得采煤機受到的沖擊載荷不均勻，從而造成采煤機運行不平穩(wěn)（機身振動、連接松動、連接輪斷裂、連接不穩(wěn)固等。）還會造成滾筒裝煤能力降低，割完煤柱之后留下的煤底高度較高，使得支架和采煤機的支撐結(jié)構(gòu)造成不同程度的損壞，影響了采煤機的工作性能，降低了井下采煤的工作效率。

2）截齒在截割煤巖體時，會產(chǎn)生粉塵，影響粉塵產(chǎn)生的截齒因素眾多，其中以截深的影響最為關(guān)鍵，同時還有截齒的屬性、磨損程度、煤巖體的物理性質(zhì)、工作面現(xiàn)場環(huán)境。根據(jù)相關(guān)資料可知，截深與粉塵的生成成反比，截深越深，粉塵產(chǎn)生量越低，但是截齒在煤體內(nèi)部散熱不好，也會加速截齒磨損。當(dāng)截齒前部的鎢鋼磨損程度超過50%時，截齒的截割性能會急劇下降，粉塵量也會大大增加，使得井下工作環(huán)境變得惡劣，為工作面帶來安全隱患。

3）截齒失效會極大地增加井下安全生產(chǎn)的安全隱患，一方面會增加井下粉塵量，另一方面齒尖失效時，截齒結(jié)構(gòu)本身或底座會替代齒尖來完成落煤，由于摩擦力特別大，滾筒會產(chǎn)生摩擦火花，對于井下瓦斯?jié)舛容^大的工作面是十分危險的，而且還會為刮板機和支架的推移帶來很大的阻力，降低了推移速度，阻礙了生產(chǎn)的高效率，為頂板支護帶來很大難度和要求。

3 采煤機滾筒截齒的受力分析

3.1 受力大小計算公式

采煤機正常運行時，采煤機滾筒截齒受力主要包含兩方面阻力，一個是截齒橫向的截割阻力及推移方向的推進阻力，截齒橫向所受阻力如式（1）：

式中：A為煤巖體截割阻抗，kN/m；h為截齒截割厚度，m；Bp為截齒計算寬度，m。

螺旋滾筒牽引速度方向的推進阻力

式中：kp為推進阻力和截割阻力的比值。

3.2 截齒的模型建立

利用三位建模軟件來建立采煤機截齒的三維受力模型，煤巖體與截齒之間接觸的方向和接觸位置如下圖1所示。

從圖1可知，單個截齒的軸向力

單個截齒的徑向力

4 仿真模擬和幾何參數(shù)的優(yōu)化

圖1 截齒和煤巖體的接觸姿態(tài)示意圖

通過在有限元分析軟件中輸入截齒的三維模型尺寸，建立好截齒的三維模型，利用軟件的DS模塊進行分析。利用上述計算公式，把所得到的橫向力與徑向力作用到模型的相應(yīng)位置上，為了模擬的準(zhǔn)確性，需要設(shè)置截齒軸向旋轉(zhuǎn)的自由度。根據(jù)靜力學(xué)分析對采煤機的截齒模型進行分析，可得下圖2所示分析結(jié)果。

圖2 截齒等效應(yīng)力（MPa）圖

由圖2可得，截齒所受最大等效應(yīng)力是721.47 MPa，與硬質(zhì)合金的抗拉強度1470 MPa差距甚遠(yuǎn)，處于安全范圍之內(nèi)。

可以將截齒齒尖的圓錐半角α以及圓孔半徑r作為相應(yīng)的參數(shù)（DS_ANG和DS_RAD）進行優(yōu)化分析。在分析過程中，可以參考截齒靜力學(xué)分析結(jié)果進行，將截齒最大等效應(yīng)力以及質(zhì)量作為目標(biāo)設(shè)定，通過DX模塊實施優(yōu)化分析。截齒的優(yōu)化參數(shù)初始尺寸可以分別設(shè)定：DS_ANG為40°（波動范圍為30°～50°）、DS_RAD為10mm（波動范圍為8～12mm）。

從下頁圖3能夠得出參數(shù)優(yōu)化前后DS_ANG和DS_RAD所對應(yīng)的不同目標(biāo)參數(shù)的具體數(shù)值，如下頁表1所示。

從表1可以得到，優(yōu)化之后的截齒齒尖圓錐半角降到了35°，圓孔的半徑也增大到12mm。不僅截齒的截割質(zhì)量有所提升，而且最大等效應(yīng)力也會大大減小，使得截割機截割性能大大提升，工作效率顯著增大。

5 提升截齒可靠性的方法

截齒截割煤體時，截齒最常見的失效形式是磨損（磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損）。截齒材料是防止截齒磨損失效的有效方法。除了采用硬度較大的截齒，還得做好防護措施，如利用堆焊的方法加固表面。應(yīng)用最廣的就是激光熔覆和熱圖噴技術(shù)。當(dāng)煤巖體硬度較大時，需選擇具有良好韌性和塑性的截齒，當(dāng)硬度較低時，截齒硬度也應(yīng)相應(yīng)的增加，從而來達(dá)到更好的截割效果。如果煤巖層節(jié)理和層理脆度較低時可選擇鎬形截齒，如果節(jié)理不脆時就得采用刀形截齒截割效果更好。

圖3 DS_ANG和DS_RAD與相關(guān)目標(biāo)參數(shù)之間的關(guān)系

表1 優(yōu)化前后目標(biāo)參數(shù)的變化情況

另一個提升采煤機截割性能的就是調(diào)整采煤機滾筒合理的截齒安裝角度。主要包含沖擊角、傾斜角和歪斜角。由于沖擊部位不斷受到煤巖體的沖擊，所以一般固定沖擊角，角度設(shè)置在40°～50°之間。采煤機滾筒截齒的截割阻力與截齒沖擊角的變化成反比，即沖擊角增大，截割阻力減小。與歪斜角和傾斜角成正比，歪斜角增大，截割阻力也增大。

在進行截齒設(shè)計時，要充分利用摩擦力學(xué)的相關(guān)知識，使得滾筒截齒與煤巖體之間的摩擦力最低，減少滾筒截齒的磨損程度。而且在遇到極薄煤層時，需要重新設(shè)置滾筒截齒參數(shù)，來更好地切割極薄煤層，避免因為截齒與煤體摩擦過度，而導(dǎo)致截齒失效。這樣不僅保護了了截齒的齒尖，增強了截割性能，也延長了截齒的使用時間。

6 結(jié)語

利用仿真模擬軟件對截齒進行有限元分析和結(jié)構(gòu)改進，可以提升采煤機的截割性能，保護采煤機截齒的銳利及與其他連接件的緊固程度，對其他采煤機的優(yōu)化具有一定的參考作用。