采煤機鎬形截齒仿真受力強度分析

袁慧娟

（大同煤炭職業技術學院機電工程系，山西大同 037000）

0 引言

采煤機是煤礦綜采工作面的主要設備，負責原煤的截割和落煤，在截割煤體期間，利用滾筒外沿的鎬形截齒對煤體進行擠壓、切削使其破碎掉落，該動作循環往復進行，在煤層夾矸、局部破巖等復雜環境下，截齒會出現磨損、磕傷甚至出現齒座開裂導致截齒脫落等問題。為研究采煤機截齒在高效截割前提下提高截齒使用壽命的方法，從截齒的刀頭完整、刀頭磨鈍5 mm、刀頭脫落等三種情況分析截齒的受力強度，為截齒的使用、設計及制造提供依據。

1 截齒的割煤破碎原理

利用采煤機割煤時，隨采煤機向前行走切入煤體，切入煤體過程中主要依靠滾筒旋轉時外沿的鎬形截齒對煤體進行切割破碎，破碎的煤體隨滾筒向外螺旋布置的導煤槽進入運輸機，隨著截齒對截割范圍內煤體的破碎，周圍煤體因受擠壓和沖擊強度隨之降低，在下一循環截割時截齒受力也會相應減少，形成周期性循環[1]。

2 不同工況截齒割煤的受力分析

采煤機鎬形截齒在割煤時，截齒刀頭鍥入煤巖體，對煤巖體形成擠壓，當壓力超過煤巖體抗壓強度后，煤巖體隨之破碎，在對煤巖體破碎過程中，煤巖體會對截齒刀頭形成一個反作用力[2]，這一反作用力造成截齒磨損。通過分析截齒在截割過程中受到的反作用力情況，即可得出不同工況下截齒的受力情況，不同工況下截齒刀頭受力情況如圖1所示。

2.1 完整刀頭受力計算

通過分析及圖1 所示，完整的截齒截割時其刀頭前刃面會受到煤巖體的截割阻力用FZ表示，刀頭受齒座推力為FY、刀頭側面會受到煤巖體側壓力用FX表示，計算公式：

圖1 不同工況下截齒刀頭受力示意

式中 A——煤巖體對刀頭的截割阻抗，N/m

h——截割深度，m

bp——截割刀頭直徑，m

Kq——推進阻力與截割阻力的比值

將完整的鎬形截齒參數代入式（1）、式（2）、式（3），得到刀頭截割阻力為1.1 kN，刀頭齒座推力為0.55 kN，煤巖體側壓力為0.22 kN。

2.2 磨鈍刀頭受力計算

磨鈍后的截齒刀頭，截割時的受力主要有刀頭截割阻力FZ0和刀頭齒座推力FY0，計算公式：

式中 FZ——截齒未磨鈍前刀頭截割阻力，kN

σy——煤巖體強度，MPa

Sd——磨鈍后刀頭的接觸面積，m2

FY——刀頭齒座推力，kN

將磨鈍后的鎬形截齒刀頭各參數代入式（4）、式（5），得到磨鈍刀頭的截割阻力是2.9 kN，刀頭齒座推力為0.595 kN。

2.3 刀頭脫落后的受力計算

鎬形截齒前端刀頭脫落后，截割時則由齒座直接截割，其截割阻力和推進阻力均急劇增大，通過觀察刀頭脫落后齒座的磨損情況分析受力位置主要為齒座外沿，經過實測數據分析，截割阻力為正常情況下的4～5 倍，推進阻力為正常情況下的5～8 倍，因此可得出刀頭脫落后截割阻力為4.4～5.5 kN，推進阻力為2.75～4.4 kN。

3 截齒的受力變形和強度分析

采煤機齒座材料一般為42CrMo 鋼，該材料剛度較強，截割刀頭一般采用鎢鈷合金刀頭，耐磨性較好，在Solid works 中建立的鎬形截齒仿真模型，對齒尖加密采用二次元C3D10 處理。針對刀頭未磨鈍、刀頭磨鈍5 mm 和刀頭脫落情況的截齒受力變形及強度進行模擬分析。

3.1 模擬加載下的應力及變形

在鎬形截齒仿真模型中，對截齒刀頭進行模擬加載，觀察不同工況下的截齒等效應力和位移變形，針對不同工況進行載荷加載。如圖1 所示，刀頭完整情況下，截齒齒尖夾角為85°，刀頭的截割阻力按水平夾角計算為42.5°，刀頭的截割阻力受力位置按刀頭前刃面的中心計算；刀頭推進阻力按水平夾角計算為-42.5°，推進阻力受力位置按刀頭后刃面的中心計算；圍巖對截齒的側壓力與截齒軸線垂直，按作用點集中在側刃面的中心計算。刀頭磨鈍5 mm 情況下，截齒齒尖夾角為95°，刀頭的截割阻力按水平夾角計算為47.5°，磨鈍后刀頭的截割阻力受力位置將隨磨鈍后移，按照后刃面中點處計算，刀頭的推進阻力按水平夾角計算為-47.5°，磨鈍后刀頭的推進阻力受力位置按刀頭后刃面中點處計算。刀頭脫落情況下，由于刀頭脫落，截割煤巖體期間直接由齒座截割煤巖體，截齒的截割阻力和齒座的推進阻力按照刀頭脫落后的計算都將增大數倍，受力方向也變為水平方向和垂直方向，受力位置則直接集中在齒座前端。

3.2 加載后的結果及分析

模擬狀態下對不同工況的采煤機鎬形截齒進行加載，通過加載得到鎬形截齒的等效應力分布和位移變形結果：①刀頭未磨鈍情況下，通過加載測得鎬形截齒的最大變形量為0.017 mm，受力位置為齒座前端。測得截齒所受最大等效應力為83.8 MPa，應力集中位置為齒座與齒柄連接處；②刀頭在磨鈍5 mm 情況下，通過加載測得鎬形截齒的最大變形量為0.039 mm，受力位置同樣位于齒座前端。測得截齒所受最大等效應力為218.8 MPa，應力集中位置同樣位于齒座與齒柄的連接處，刀頭磨鈍5 mm 較刀頭磨損前等效應力增加超過一倍；③刀頭脫落情況下，通過加載得出鎬形截齒最大變形為0.018 mm，與刀頭完整及磨鈍5 mm的情況下最大變形量相差不大，但最大等效應力增加到了374.6 MPa，應力集中位置為刀頭和齒座連接處，與刀頭完整及磨鈍5 mm 情況相比，不僅最大等效應力呈數倍增大，應力集中位置也發生了變化。

根據材料力學查詢結果，鎬形截齒材料為42CrMo 鋼，其屈服極限是450 MPa[3-4]，實際截割過程中，因煤層夾矸及破巖等異常情況下，圍巖對截齒造成的截割阻力增大，為確保使用安全，保留1.5的安全系數，則齒體的最大許用應力按450/1.5=300 MPa計算。刀頭完整情況下截齒所受最大等效應力為83.8 MPa，刀頭磨鈍5 mm 情況下截齒所受最大等效應力為218.8 MPa，刀頭脫落情況下齒座所受最大等效應力為374.6 MPa，由此得出，刀頭脫落后齒座所受最大等效應力超過42CrMo 鋼的許用應力，即刀頭脫落后繼續截割會在齒座和刀頭連接處（最大等效應力處）發生嚴重磨損甚至斷裂，截齒的連接桿也會發生彎曲變形。該受力與變形情況與實際過程中發現的刀頭脫落后截齒的變形情況一致（圖2）。

圖2 刀頭脫落后截齒變形

通過上述分析得出：采煤機截割期間，一旦發現采煤機行走阻力增大、滾筒刀盤發出異常振動或聲響，則可能有截齒刀頭嚴重磨鈍或刀頭脫落情況，應及時停機檢查更換，避免造成齒座磨損和異常振動損壞采煤機其他部件。

4 結語

通過對采煤機鎬形截齒不同工況下的受力及變形分析，在截齒刀頭脫落情況下繼續截割會對齒座構成較大損壞。因此在實際工作中，每班檢測截齒變形情況，發現嚴重磨鈍的刀頭和刀頭脫落的截齒應及時更換，避免造成更大損失而影響正常生產。