采煤機滾筒鎬型截齒的失效分析及研究

郭鵬宇

（永定莊煤業公司綜采二隊，山西 大同 037003）

引言

隨著開采自動化技術的發展進步，采煤機開采的任務量不斷增加，在提高開采效率的同時，對于采煤機截齒的要求也逐漸提高。截齒是進行煤巖截割的工具，鎬型截齒是螺旋滾筒工作的刀具，在工作過程中，鎬型截齒利用點接觸的形式將煤巖壓實切割，從而實現煤巖的開采。鎬型截齒通過齒座安裝于刀身上，結構簡單，便于制造，工作時的截割角度小，比能耗小，可靠性高于扁形截齒，在采煤機中具有廣泛的應用[1]。采煤機在工作過程中的大量作業，對截齒造成一定的磨損甚至失效，影響礦井的開采作業。采用有限元分析的方式，對鎬型截齒的應力及變形進行分析，從而對其主要的失效形式進行研究分析，以提高截齒的使用壽命。

1 鎬型截齒有限元分析模型的建立

鎬型截齒的主要結構包括刀頭和刀身兩部分，刀身一般采用合金鋼材質制成，刀頭則常采用硬質合金制成，具有較好的強度和韌性。在使用過程中，將刀頭鑲嵌到刀身上，并采用合金進行焊接，保證刀頭部分的強度韌性，并提高截齒的抗沖擊性能。采用ANSYS有限元分析軟件進行鎬型截齒的應力變形分析，一般分為前處理、求解及后處理三個部分[2]，首先要建立截齒的結構模型。在ANSYS中進行截齒的建模相對復雜，操作環境麻煩，利用ANSYS與CAD軟件間的直接接口技術，采用Pro/E建模軟件進行截齒模型的建立，通過數據接口直接將模型以igs的文件格式導入到ANSYS中，進行模型的設置及前處理。

對于建立的截齒模型，設定截齒材質為硬質合金，有限單元類型選定為四面體單元，進行截齒的網格模型劃分，刀頭部位的受力作用較大，對刀頭部位的網格進行加密處理，以提高有限元分析的精度[3]。網格劃分處理后的截齒模型如圖1所示。

圖1 鎬型截齒的網格劃分模型

截齒在工作過程中受到煤巖的反作用力，在分析過程中，將刀頭和刀身看作整體，截齒承受集中載荷的作用，主要作用于刀頭的部位。鎬型截齒在工作過程中，自身完全固定，將截齒的齒身及底面進行固定約束，對刀頭表面的所有節點施加集中載荷的作用，由此對截齒的應力及變形進行分析[4]。

2 鎬型截齒的有限元及失效分析

2.1 鎬型截齒有限元求解及結果分析

對所建立的鎬型截齒模型依據前處理設定的條件進行施加載荷運算，完成求解過程。采用后處理進行結果的查看及檢查，經過運算分析得到鎬型截齒的應力變化及變形分別如圖2、下頁圖3所示。

從圖2、圖3中可以看出，截齒所受到的應力主要分布在刀頭的位置，最大應力發生在截齒的中間即刀頭的根部位置，最大應力值為375 MPa，其余部位的應力值較小，在根部位置存在一定的應力集中現象；截齒的最大應變為0.000 781 mm，發生在刀頭的頂部位置，說明在截齒進行工作的過程中，截齒齒尖所發生的變形最大。

圖2 鎬型截齒應力變化分布圖

圖3 鎬型截齒應變分布圖

沿鎬型截齒的縱軸對表面節點處的應力進行分析，得到如圖4所示的變化曲線，即為鎬型截齒應力相對Z軸的變化曲線，其中橫軸為距刀身尾部的距離，縱軸為截齒的應力值。從圖4中可以看出，截齒的應力曲線變化比較顯著，在截齒尾部的應力值較小，基本在0值附近呈水平分布，在距截齒尾部約60 mm的位置處，應力值迅速增加至最大應力值，最終達到375 MPa，達到最大值后急劇下降，最大應力值發生在齒身的中部位置，距截齒尾部距離約為80 mm。此處受到集中載荷的作用，存在著應力集中，在使用過程中，極易引發齒身的折斷，造成截齒的失效[5]。

圖4 截齒應力值相對Z軸的變化曲線

2.2 鎬型截齒的失效分析及改進

鎬型截齒作為滾筒截割的刀具，在使用過程中發生失效時，要進行更換，以免對礦井的開采成本及效率造成影響。在實際使用過程中，截齒的失效形式主要包括截齒的磨損、刀頭的脫落及崩刃、刀身的彎曲折斷。針對鎬型截齒的失效形式，應采取相應的改進措施，提高鎬型截齒的可靠性及使用壽命，避免截齒的大量失效。

在進行煤巖的截割時，截齒承受較高的壓力及沖擊載荷，應選擇合理的材料并進行一定的熱處理工藝，在保證截齒表面耐磨性的同時，提高截齒材料的強度及沖擊韌性[6]，并提高刀頭的焊接質量，采用韌性較好的焊料，并通過選配的焊接方式，減小焊接過程中的間隙，提高刀頭的強度；對于傳統的焊接方式進行改進，可采用鑲鑄工藝提高刀頭與截齒齒身的強度，且能夠提高整體的韌性；在使用過程中，還應該依據截齒的材質及結構參數，合理選擇工作參數，依據煤層的分布，合理調整截齒的角度等參數，實現截割比能耗的減小，從而可以減小截齒的磨損失效。

3 結語

鎬型截齒是采煤機中廣泛使用的截齒形式，由于截齒作為截割刀具直接作用于煤巖中，在使用過程中存在著大量的失效更換，造成了采煤作業成本的增加及效率的降低。針對鎬型截齒的受力及變形采用ANSYS進行有限元分析，結果表明，在鎬型截齒的齒身中部所受到的應力值最大，齒尖位置處發生的變形最大，容易造成截齒的齒身斷裂及齒尖的磨損失效。針對截齒的失效形式，提出了一系列的改進措施，從而提高截齒的壽命和可靠性。