掘進機截割中截齒磨損影響因素數值模擬分析

付李芳

（山西潞安環保能源股份開發有限公司五陽煤礦，山西 長治 046205）

引言

掘進機進行巷道的掘進是保障礦井快速安全開采的重要環節。在掘進機進行巷道掘進的過程中，截齒作用于煤巖進行截割破巖，由于受力作用較大，作業環境復雜，截齒不可避免地受到一定的磨損[1]。截齒的磨損造成齒體的失效對掘進效率造成重大的影響，截齒的磨損不僅與自身的耐磨性有關，還與掘進過程中的影響因素有關。在提高截齒的耐磨性的同時，對掘進過程中的運動參數進行合理的選擇，同樣有利于降低截齒的磨損，改善其受力狀態，從而可以減少截齒的更換，提高巷道的掘進效率[2]。

1 截齒截割巖層模型的建立

在截齒進行截割的過程中，截割的速度與截割深度對于截齒的受力狀態具有重要的影響。采用有限元分析的方式分別對截割過程中的截割速度與截割深度對截齒的應力造成的影響進行分析，從而可以選擇合理的截割參數改善應力分布狀態，減小截齒的磨損。在截齒截割的過程中，受到的沖擊作用較大，容易產生磨損[3]。隨著有限元技術的發展應用，采用有限元分析的方式對截齒的應力變化進行分析，確定其磨損規律，可以有效地解決對截齒截割過程難以進行試驗分析的難題。

選擇ABAQUS 作為截齒應力變化分析的有限元軟件，ABAQUS 可以模擬典型的工程材料的性能，并且提供了允許材料下的模型，適用于對截齒截割過程中煤巖的模擬[4]。采用有限元分析的方式，首先建立截齒截割的三維模型，在進行建模的過程中，依據實際的截齒考慮到計算及求解過程的復雜性，將模型進行一定的簡化，建立截齒與煤巖的截割模型如圖1 所示。

圖1 截齒與煤巖的截割模型示意圖

對所建立的模型設定為顯示動力學分析，由于煤巖的變形，設定幾何非線性打開，對整個模型進行輸出，設定時間間隔為1 000 s。對截齒的合金頭和齒體設定為綁定約束，跟隨截割頭轉動實現截割。對所建立的模型進行網格劃分，在劃分網格時，綜合考慮網格數量及計算精度的影響，避免長時間的運算，對截齒和煤巖模型分別進行網格劃分，從而針對性地選擇網格劃分的精度[5]。選擇不同的截割速度和截割深度，分別對截齒的應力變化進行模擬計算。

2 截齒磨損影響因素數值模擬分析

2.1 截割速度對截齒的應力變化影響分析

截割速度通過截割頭的轉速來體現，轉速越高，則此時的切屑厚度減小，造成的粉塵量增加，轉速越低，則切屑厚度增加，造成截齒的受力作用增加，容易產生截齒的磨損。選擇不同的截割速度分別為1.5 m/s、2.0 m/s、2.5 m/s，設定截割深度為20 mm，對截齒的應力狀態分別進行模擬，得到如下頁圖2 所示的應力變化云圖。從圖2 可以看出，隨著截割速度的增加，截齒齒體部分受到的應力面積明顯增加，截齒以一定的截割速度與煤巖發生沖擊，產生較大的沖擊力，同時煤巖形成切削層并開裂脫落，完成一次截割過程。截割速度越大，則截齒與煤巖間的相互作用產生的沖擊力越大，從而使得截齒合金頭的應力增加，并受到截割阻力的影響，形成對截齒的彎矩作用，使得截齒產生一定的變形。

圖2 不同截割速度截齒應力（Pa）變化云圖

通過圖2 中的模擬還可以看出，在截齒的齒尖與齒體的連接處常出現較高的應力，分別提取齒尖、合金頭齒體連接位置處的應力進行分析，其變化過程如圖3 所示，其中，位置1 為齒尖處，位置2 為合金頭齒體連接位置處。從圖3 中可以看出，截割過程中齒尖處的應力保持增長的趨勢，波動值較小，合金頭齒體連接位置處的應力值具有較大的波動，這是由于截割造成的沖擊作用下，連接處容易與煤巖發生碰撞，同時截齒向前運動造成截齒的應變，產生較高的應力。

圖3 截齒不同位置的應力對比曲線

2.2 截割深度對截齒的應力變化影響分析

截割深度是截割頭在旋轉過程中，每個截齒的切削深度，截割深度與截割頭的轉速及截齒數量相關。選定不同的截割深度分別為20 mm、30 mm、40 mm，對截齒的應力狀態分別進行模擬，得到如圖4所示的應力變化云圖。從圖4 可以看出，隨著截割深度的增加，截齒上的應力區域明顯增加，且應力的最大值均出現在合金頭齒體連接位置處，其最大值變化不大。齒體與煤巖的接觸面積明顯增加，擴大了齒體的磨損區域，由于齒體的耐磨性較差，使得齒體上靠近合金頭位置處容易造成磨損，且隨著截割作業的繼續，磨損逐漸累積。在截齒的結構中，合金頭齒體連接位置處常采用釬焊的方式進行連接，由于受到的應力較大，容易造成焊縫的開裂，并逐漸造成截齒的失效。

圖4 不同截割深度截齒應力（Pa）變化云圖

3 結論

采用有限元仿真分析的方式，分別對不同截割速度與截割深度下的截齒應力進行分析，結果表明，隨著截割速度的增大，合金頭上的應力增加，且截齒的變形應力增加；截割深度增加，則截齒的應力區域明顯增加，截齒的合金頭齒體連接位置處是受到應力最大的位置，且容易與煤巖產生接觸，而造成磨損。在實際應用過程中，應避免合金頭齒體連接位置處與煤巖產生接觸，從而改善截齒的應力狀態，避免造成接觸磨損，延長截齒的使用壽命，從而提高掘進作業的效率。