采煤機鎬形截齒的失效形式及結構強度的分析

許 峰

（大同煤礦集團有限責任公司安全管理監察局， 山西 大同 037003）

引言

就雙滾筒采煤機來講，其機身配置有可上下移動的滾筒與搖臂，而截齒則需要依據相關規律來進行安裝，使其處于滾筒的前端，作用是截割煤巖和落煤。該采煤機運行的環境較為惡劣，截齒的受力不均勻，并因長時間的沖擊、磨損等出現了截齒遺失或失效的狀況，對采煤機的運行造成了嚴重的影響。因此，必須深入研究造成截齒失效的各個因素及機理，從而對截齒的研制、選擇、維護等一系列進行改良[1]。

1 鎬形截齒的構成及安裝

如圖1 所示，其為鎬形截齒的構成及安裝圖。

對于應用最頻繁的鎬形截齒，其硬質合金齒頭與齒體的連接可以采用釬焊，齒頭所采用的材料具備較高強度、較大硬度，可以劈裂或嵌入煤巖中；齒體則具備較高的韌性、較好的力學性能，可以承受較大的荷載；齒座所運用的材料為普通鑄鋼材，該部分主要安裝于滾筒部位，與齒座和齒體形成連接[2]。

圖1 鎬形截齒的構成及安裝圖

2 采煤機截齒常見的失效形式

目前，主要有兩種因素會影響到鎬形截齒的使用壽命，分別為環境因素和自身因素。

環境因素主要包含井下掘進煤層的頂板及底板巖石的結構、煤層的夾矸量等等，其含矸量及硬度越大，截齒所受到的磨損和沖擊也將越大。

自身因素主要包含截齒的材料、結構、安裝部位等等，若其設計具備合理性，則可以極大降低截齒受力的不均勻性。

實際上，因截齒工作所處的環境較為特殊，其失效的常見形式主要為齒體受損及遺失、整體折斷等，不管是哪種形式的損壞，都會涉及截割操作，進而對采煤機的正常運作及生產的效率造成極大的影響，導致開采的成本不斷增加。對于該狀況，本文針對截齒的受力進行了深入研究，并將截齒在各個工況下存在的應力特征進行了模擬，從而對導致截齒出現各種失效問題的機理進行研究[3]。

3 截齒的受力分析

鎬形截齒是基于某個角度和速度來嵌入到煤巖中，齒頭具備較高的強度，可以將煤體進行局部破碎，并逐漸形成一種密實核，其周圍存在的應力將會導致煤體出現裂縫，并逐漸擴展，最終導致片狀落煤的產生。在工作的過程中，截齒將會受到與煤層方向相垂直的截割阻力FZ、與機體行進方向相平行的推進阻力FY和與煤壁相垂直的側向力FX的影響。根據之前的研究可知，截齒主要受到以下三種作用力

式中：α 為截割系數；b為截割厚度。

4 截齒的有限元研究

4.1 有限元模型的建立

4.1.1 截齒模型

下頁圖2 所表示的是本文研究中所采用截齒的尺寸，由于齒體與齒頭所使用的材料存在著較大的差別，因此應當建立針對性較強的模型和設定材料的各個屬性。另外，本文選擇齒體來開展研究，因此根據齒體上端所屬的相關條件來分析齒體和齒座的受力，并進行模擬，不需要單獨針對齒座來創建模型。

圖2 截齒尺寸（單位：mm）

選擇通用型、大型的有限元軟件來開展研究，齒頭與齒體的結構都是回轉體，因此可以在該軟件的模型板塊中直接產生，之后再實施裝配。

4.1.2 材料屬性

針對齒頭與齒體兩個部件，分別在軟件中設置其所使用材料的屬性，其參數如表1 所示。

表1 齒頭與齒體的材料屬性表

4.1.3 約束及載荷

處于正常工況之下，齒體與齒頭之間的連接是利用釬焊實現，因此在兩者的安裝處進行相應的約束，促使其成為一體。這種設置形式仍然可以在齒體受損的狀況下使用。但是在釬焊不穩的狀況下，只需要在齒頭與齒體之間設置相應的條件，不需要再進行其他的連接[4]。

這三個方向上的負荷主要處于齒頭的局部受力區域，與齒頂相距3～4 mm 的圓錐面中，需運用相應的方法來進行加載。本研究中，截齒在三個方向FX、FY和FZ中所受到的荷載分別為2 kN、8.5 kN 和10 kN。

4.2 正常工況下的截齒受力

在這種工況下，截齒的受力詳見圖3，Mises 應力的最大值產生于齒頭的頂部，其數值為1 057 MPa，該數值低于極限強度值，因此可以實現有效的截割工作。該部分所受到的應力是運行過程中與煤巖之間形成的接觸應力，其分布較為集中，但是因齒頭所使用的材料為硬質合金，因此可以在不斷的摩擦中保持效用。

齒體的應力詳見圖4，Mises 應力最大為270.3 MPa，產生于齒體的底部，具備較高的安全系數。

此外，齒體所采用的材質具有較強的力學性能，其韌性與強度都可以確保齒體在正常工況下應用[5]。

圖3 正常工況下截齒受力（MPa）云圖

圖4 正常工況下齒體受力（MPa）云圖

4.3 釬焊松動工況下的截齒受力

在加工截齒的時候，由于齒體所用材料為普通合金，齒頭所用材料為硬質合金，這兩種材料的屬性存在較大差別，因此在進行釬焊過程中難以獲得較高的焊縫強度。同時，在使用過程中，截齒常常會與煤巖等發生撞擊，因此，應用釬焊所形成的焊縫極易出現裂縫而失效。當出現了嚴重的失效問題時，齒頭將會直接丟失，齒體與煤巖之間會產生嚴重的撞擊。

就截齒來講，由于齒頭可以開展有效的截割工作，因此齒頭可以保持與正常工況下相同的受力，主要存在強度較高的接觸應力，可能出現破裂現象，在該工況下的受力狀況詳見下頁圖5。而對于齒體而言，最大應力的部位將逐漸轉移到齒頭安裝孔的底端，為1 766 MPa，盡管依舊處于安全受力的狀態，但是此時的齒頭與齒體不具有穩定的連接，極易遺失齒頭或者導致齒體破碎[6]。

4.4 齒體磨損工況下的截齒受力

在使用截齒的過程中，當齒頭嵌入到煤體之后，齒體前部也會深入到煤巖內部進行破碎，齒體與煤巖之間會出現劇烈的撞擊。在經過一定時間的使用之后，齒體在該工況下的受力狀況詳見下頁圖6，齒體前部因受到磨損而導致其厚度不斷減少。根據分析可知，此時齒體形成最大應力的部位會逐漸轉移到齒頭安裝孔的底端。隨著磨損狀況的不斷加深，該區域之內的應力會不斷增加，直到失去效用[7]。

圖5 齒頭局部碎裂工況下的受力（MPa）云圖

圖6 齒體磨損工況下的受力（MPa）云圖

5 截齒結構的改良

為了有效處理齒體與齒頭之間連接失效的問題，應當積極探索全新的釬焊技術，同時通過探索齒體與齒頭之間的全新釬焊技術來實施優化，以增強焊接縫的強度與抗沖擊性，避免遺失和損壞齒頭。

針對因齒體前方受損而產生的強度降低問題，應當基于硬度及耐磨度的提升，運用有效的方法加強齒體的前端，例如局部淬火等，使齒體的使用年限得以延長[8]。