不同工況下采煤機鎬形截齒受力分析

高 源

（山西煤炭運銷集團華陽煤業有限公司，山西晉城 048012）

0 引言

在礦山開采工作中，采煤機是極其重要的重型設備之一，主要作用是實現煤層的裝煤及落煤程序，這就要求核心部件的截齒必須具備穩定性較強的截割性能，只有這樣才可以使采煤機持續穩定地運行，提高開采效率。由于采煤機經常在較差的環境中運行，因此截齒會出現各種故障問題。本文針對刀頭脫落、磨鈍及未磨鈍3種工作狀況，分別對截齒的受力進行分析，并對其強度進行校準。

1 采煤機截齒運行機理

在該設備運行過程中，隨著滾筒的持續轉動，截齒在與煤壁接觸后會形成瞬間沖擊，截齒的齒尖會扎進煤層深處，并與煤壁之間形成一定角度的切割。當煤體受到較大的沖擊力，且大于自身所具有的抗壓性之后，將會根據剪切面的走向而發生裂痕，從而產生粉碎脫落現象。同時，煤體附近煤巖體所具有的抗壓強度也會降低，截齒刀頭在開始另一個循環時，截齒的受力將會不斷降低[1]。

圖1 采煤機截齒破煤機理圖

隨著滾筒的不斷轉動和進給作業的深入進行，截齒將會持續對煤巖體造成沖擊，因此煤層的粉碎作業將會進入周期性循環，如圖1所示。

2 采煤機截齒受力狀況

在開展切割作業過程中，煤巖會產生一定的阻力，截齒則可以利用這種阻力來粉碎煤體，同時其中存在的擠壓力將會對截齒造成一定的破壞。由于滾筒是利用轉動來切割煤壁，而截齒所承受的載荷為空間交變式，并且井下存在較多不可控的因素，截齒持續受到損壞，這些都會影響截齒的正常工作。因此，對3種工況下截齒存在的受力狀況進行分析，如圖2所示，其作用部位大多位于刀頭刃面的中心點[2]。

2.1 刀頭未磨鈍

式中：A為截割阻抗，N/m；h為截割厚度，m；bp為截齒計算的寬度，m。

圖2 采煤機截齒的受力圖

根據式（1）～（3），與鎬形截齒實際工況下的各個變量參數相結合，可得出FZ、FY和FX的數值分別為1 100 N、550 N和220 N。

2.2 截割刀頭磨鈍

截齒刀頭出現磨鈍之后，在截煤時主要存在截割阻力FZ0和推進阻力FY0，計算式如下：

式中：f′為阻力系數；δy為單軸的抗壓強度，MPa；Sd為受損面積，m2；k′y為接觸應力/單向抗壓強度的平均值，通常處于0.8～1.5之間；FZ為未磨鈍之前截齒存在的截割阻力，N；FY為未磨鈍之前截齒出現的推進阻力，N。

由式（4）～（5）可以算出，與鎬形截齒出現磨鈍之后的各個參數相結合，得出FZ和FY的數值分別為2 900 N和595 N。

2.3 刀頭脫落

在出現脫落狀況之后，齒體將會與煤體出現撞擊，導致FZ和FY持續上升，截齒的受力也會轉移到齒座的邊緣部位。通過分析可知，與正常工況下的FZ相比，FZ1是其4～5倍；與FY相比，FY1是其5～8倍[3]。因此，FZ1和FY1的數值分別為4 400和3 000 N。

3 各個工況下的截齒強度分析

3.1 構建有效的截割模型

3.1.1 三維模型和網格劃分

在Solidworks中建立起有效的截齒模型，利用相應的文件導入ABAQUS，運用C3D10處理齒尖。在這3種工況下，齒體的間距、網格數量等如表1所示；截齒模型如圖3所示。

2.3 初產婦、經產婦妊娠期不同類型的UI構成比情況 經卡方檢驗，初產婦、經產婦妊娠期不同類型UI構成比差異有統計學意義（P＜0.001）。其中，初產婦與經產婦妊娠期SUI的患病率差異有統計學意義（P＜0.001），經產婦和初產婦UUI、MUI、OUI患病率，差異均無統計學意義（P＞0.05），見表1。

表1 采煤機截齒網絡劃分參數表

圖3 截齒模型

3.1.2 材料參數

采煤機滾筒的端盤與截齒的齒體均運用42CrMo鋼，該材料具備較高的強度，刀頭所使用的材料為鎢鈷類合金鋼，其具備較強的耐磨性，各個材料的相關參數如表2所示。

表2 采煤機截齒材料參數表

3.1.3 邊界條件和加載

對于鎬形截齒，可以基于實際的工況來控制其中的齒座及刀頭，并在齒柄中的圓柱斷面上設置固定約束。在這3種工況下，截齒所受到的載荷為：刀頭未磨鈍時，FZ、FY分別與X軸、Y軸形成53.5h和-53.5h的夾角，這兩者分別在前、后刃面的中心部位來發揮作用；FX與截齒的軸線之間形成90°的夾角，主要在側刃面的中心部位產生作用[4]。當達到3 mm的磨鈍之后，FZ0、FY分別與X軸、Y軸形成35h和-35h的夾角，兩者的作用部位分別處于前刃面和后刃面的中心部位。

處于刀頭脫落的工況下，在開展截割作業過程中，齒座將會與煤體發生接觸，此時FZ1和FY1將會持續提升，兩種阻力分別在Y軸和X軸產生作用，作用發生部位在刀頭與齒座的交接處[5]。

3.2 結果分析

通過對上述3種工況下截齒的運行狀態進行模擬研究，得到了截齒等效應力及位移變形的散布圖。在刀頭沒有發生磨鈍之前，其產生的變形量最大可達到0.017 mm，主要位于刀頭與齒座相交匯的部位；等效應力的最大值為83.80 MPa，齒座及齒柄的接合部位存在應力集中[6]。

當刀頭出現3 mm的磨鈍時，變形的最大值為0.039 mm，其所處部位在齒座與刀頭的交接點；等效應力的最大值在提升到218.8 MPa之后，與磨鈍之前相對比，其所受應力也會持續增加，所處部位在齒座與齒柄的交接點。

當刀頭發生脫落之后，其變形的最大值為0.018 mm，與3 mm磨鈍狀況下變形量的最大值相比呈降低趨勢；最大等效應力為374.6 MPa，所處部位也移動到刀頭與齒座的交接點，同時與未磨鈍之前相比較，其所受的應力不斷增加，而齒柄與齒座交匯處所形成的等效應力處于124.9～156.1 MPa[7]。

根據材料力學可知，齒體所使用的材料為42CrMo鋼，其具有450 MPa的極限屈服數值，而安全系數應當基于實際的工況來進行明確，一般為1.5，因此齒體受到300 MPa的許用應力。通過分析可知，在這3種工況下，截齒所受到的等效應力分別為83.8 MPa、218.8 MPa和374.6 MPa。因此，在刀頭脫落的狀況下，齒座會受到較大的等效應力，而在等效應力達到最大值時，該部位將會出現斷裂問題，齒座與齒柄的接合部位產生彎曲變形。這與截齒的失效方式相吻合，如圖4所示，這也間接表明了本文所運用仿真模型的精確性。

因此，當采煤機處于正常運行狀態下，一旦滾筒出現異常狀況，很大可能就是因為刀頭出現脫落，此時應當更換截齒，以避免其他部位受到影響[8]。

圖4 采煤機截齒失效圖

4 結束語

（1）在刀頭脫落的狀況下，齒座所受到的等效應力最大值將遠遠超出該材料自身所具備的許用應力，這時滾筒將會出現故障，應當及時維修或替換截齒，避免其他部位受到影響。

（2）對于截齒的研發、制作及應用，本研究所取得的結果可以為其提供有效依據，從而提高截齒的使用時間和工作的穩定性。