(西山煤電集團公司屯蘭礦，山西太原030200)

0 引言

煤炭作為我國主要的能源資源，不僅對國民經(jīng)濟的發(fā)展至關(guān)重要，而且是經(jīng)濟高效增長的基礎(chǔ)。煤礦作為我國現(xiàn)階段主要能源，存儲量豐富，在我國化石能源中煤炭資源占比94%[1]。雖然近年來其它新能源利用比率不斷提升，但在目前及今后一段時間內(nèi)，煤炭仍將對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著及其重要作用。研究分析我國能源資源結(jié)構(gòu)比例可知，煤炭作為主要能源的現(xiàn)狀仍將存在，并且占據(jù)70%以上的一次能源需求[2]。煤炭工業(yè)的發(fā)展對我國經(jīng)濟的發(fā)展具有重要影響，這就對采煤工業(yè)機械化、無人化、不同工況適應(yīng)性提出了更高的要求。采煤機作為煤礦生產(chǎn)中完成對煤層的落煤、裝煤工序的主要設(shè)備，包括了電器、液壓、機械等復(fù)雜系統(tǒng)[3-4]。然而由于工作環(huán)境惡劣，采煤機截齒經(jīng)常出現(xiàn)脫落、開裂等問題，因此本文對截齒進行了靜力學(xué)分析，為截齒的設(shè)計、制造以及使用提供依據(jù)，從而提高截齒使用壽命和工作可靠性。

1 煤的性質(zhì)及破碎機理

采煤機在工作過程中，煤的物理機械性質(zhì)直接對整機工作性能產(chǎn)生影響，并且決定采煤機的設(shè)計制造和選用[5]。

1.1 煤的物理機械性能

通常情況煤的機械性指標(biāo)包括強度、硬度、彈性、塑性、堅固性、截割阻抗等；物理性指標(biāo)包含濕度、容重等。煤堅固性指煤的破碎難易程度，通常分為三個等級，即軟媒、中硬煤、硬煤，其衡量指標(biāo)為堅固性系數(shù)f；截割阻抗可以理解為煤層在標(biāo)準(zhǔn)工況下被標(biāo)準(zhǔn)刀具截割時的抗割強度[6]。煤的破碎性系數(shù)描述煤的脆性程度以及生產(chǎn)粉塵的能力。

1.2 煤的破碎機理

圖1所示的鎬形截齒是采煤機上常見的截齒形式，其具有結(jié)構(gòu)簡單，堅實耐用的特點。采煤機工作過程中依靠安裝在螺旋滾筒上的截齒進行破煤和碎煤，通過滾筒慣性作用將煤塊運送至刮板輸送機，防止煤塊堆積。同時螺旋葉片上設(shè)置有噴嘴，工作過程中進行噴霧，降低工作面粉塵含量。

圖1 鎬形截齒幾何模型

圖2所示為截齒破煤機理示意圖，在螺旋滾筒的旋轉(zhuǎn)作用力下，截齒以一定速度進入煤層，當(dāng)煤層受到的沖擊力大于其所能承受的最大力時，煤層開始破碎滑落。由于截齒特有的外形構(gòu)造，使得截齒在進入煤層尺寸越深，對煤層產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力越大。如圖所示，在煤層1區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力最大，并且在AD和BC兩側(cè)面出現(xiàn)裂痕，最終ABCD區(qū)域沿著與2層的分界線整體脫落；2、3層應(yīng)力依次減小，隨著截齒的侵入在扇形區(qū)域依次脫落。

圖2 截齒破煤機理示意圖

2 采煤機截齒的受力分析

采煤機工作過程中，磨鈍截齒的平均截割阻力為[7]：

(1)

其中：f′為截割阻力系數(shù)，一般取0.38～0.42；kyj為平均接觸應(yīng)力與單向抗壓強度的比值，取值0.8～1.5；δy為單向抗壓強度，單位MPa；sd為截齒磨損面積在截割平面的投影面積，單位cm2；Z0為鋒利截齒截割阻力的平均值。

根據(jù)已有的經(jīng)驗公式，鋒利截齒截割阻力的平均值Z0可以表示為[7]：

(2)

式中：A為煤層抗切削強度，是正太分布的隨機變量，本文計算過程中取強度的平均值，200 N/mm；h為切削厚度，單位cm；t為截距的平均值，單位cm，取t=4 cm；β為截齒回轉(zhuǎn)平面與安裝軸線夾角；B脆性程度指數(shù)，本文取1；b為截齒截刃寬度，單位cm，本文取0.5d(d為鎬齒直徑)；k1、k2、k3、k4、k5分別為煤層壓張、工作面暴露、截齒截角、截齒刀頭形狀以及截齒配置方式影響系數(shù)，分別取值0.7、0.5、0.6、0.7、1；通過對(1)、(2)式進行計算，可得出截割阻力Z=30.2 kN；牽引阻力Y=kπZ=15.1 kN。

3 截割齒仿真分析

在暫不考慮截割齒動載荷影響的情況下，對其進行靜力學(xué)分析，根據(jù)受力情況將截割齒受力簡化為集中力進行分析，并做如下假設(shè)：1)截割齒在理論設(shè)計中可以在齒座中進行自轉(zhuǎn)，但是實際工作中由于銹蝕，煤粉堵塞及變形等因素的影響，大多數(shù)截割齒不能進行靈活轉(zhuǎn)動，因此在分析過程中假設(shè)截割齒固定不動；2)假設(shè)截割齒受到集中載荷作用，并且作用在刀頭部位[8]。

為了使建立的模型盡量接近實際工作狀態(tài)，在分析過程中考慮了截齒的安裝排列位置、傾斜角度以及受力的影響，在假設(shè)受到集中載荷作用的情況下，選取距離齒尖3 mm范圍內(nèi)的節(jié)點進行加載，并且參照文獻[9]施加切削力∶進給力∶側(cè)向力=1∶0.5∶0.4。運用ANSYS有限元分析軟件，對建立的模型進行受力分析，截齒受到齒座的約束，并在圓周方向不能轉(zhuǎn)動，對截齒根部全部約束后，簡化為懸臂梁模型。分別將刀頭和刀桿進行單元格細化，共劃分為11852個單元格，18098個節(jié)點。

3.1 截齒等效應(yīng)力分析

圖3所示為截齒的等效應(yīng)力圖，從圖可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在刀頭部位，為302.4 MPa。分析其產(chǎn)生最大應(yīng)力的原因主要是由于刀頭應(yīng)力集中過大，另外刀頭焊接處應(yīng)力也比較高。工作過程中隨著合金頭磨損脫落，截齒肩部與煤壁接觸面積增大，加速了合金頭的脫落，最終導(dǎo)致截齒失效。截齒根部受截割過程中進給力和側(cè)向力的影響，產(chǎn)生了較大的彎曲變形，顯現(xiàn)出較大的應(yīng)力變化。在實際生產(chǎn)過程由于截割部受力比較復(fù)雜，沖擊載荷作用較大且頻率較高，且刀頭本身內(nèi)部可能存在缺陷，往往容易出現(xiàn)斷裂失效。因此，為了提高截齒的使用壽命，從刀頭材料、焊接質(zhì)量和截齒根部穩(wěn)定性方面進行考慮。

圖3 截齒等效應(yīng)力圖

3.2 截齒等效應(yīng)變分析

圖4所示為截齒等效應(yīng)變圖，從圖可以看出，等效應(yīng)變最大值發(fā)生在刀頭附近的焊縫連接處，并沒有出現(xiàn)在刀頭部位。這是由于刀頭為硬質(zhì)合金材料，彈性模量大，應(yīng)變相對較小，而刀頭焊接處由于受集中載荷影響，與刀頭相比應(yīng)變較大。從圖中刀頭與導(dǎo)桿應(yīng)力的不連貫性也可以看出其對應(yīng)變敏感程度不一樣。分析結(jié)果表明，受集中載荷作用，刀桿與刀頭焊接處更容易發(fā)生破壞，這也是實際生產(chǎn)過程中刀頭容易脫落的一個重要原因。

圖4 截齒等效應(yīng)變圖

3.3 截齒縱截面輪廓線應(yīng)力分析

圖5-圖6所示為截齒外輪廓的等效應(yīng)力變化圖，從圖可以看出，對截齒整體而言，應(yīng)力最大值處于刀頭位置，其次為刀桿尾部，刀桿中部受力最小。刀桿尾部應(yīng)力增高的原因是由于尾部受進給力和側(cè)向力作用，發(fā)生彎曲變形造成的。另外截齒外側(cè)輪廓應(yīng)力要高于內(nèi)側(cè)，工作過程中外側(cè)更容易發(fā)生破壞。

圖5 截齒縱截面輪廓線取點示意圖

圖6 截齒縱截面輪廓線應(yīng)力變化圖

3.4 截齒橫截面輪廓線應(yīng)力分析

圖7-圖8所示為截齒橫截面輪廓線應(yīng)力分析圖，從圖可以看出在橫截面輪廓線各處所受應(yīng)力大小不同，并且差值變化較大。應(yīng)力從圖中1點處開始迅速下降，順時針圓周方向70°時應(yīng)力達到最小值，300°時應(yīng)力達到最大值。分析原因是由于截齒受側(cè)向力作用，側(cè)向力方向受力大，應(yīng)變較大，側(cè)向力反方向應(yīng)力變化較小。

4 結(jié)語

通過對采煤機截割部截齒進行受力計算，得出其所受的牽引阻力及截割阻力。根據(jù)實際情況對截齒工作狀態(tài)進行簡化后，通過運用ANSYS有限元分析軟件，對建立的模型進行靜力學(xué)分析，分析結(jié)果表明截齒刀頭處受到等效應(yīng)力最大，刀桿與刀頭焊接處應(yīng)變最大，應(yīng)力和應(yīng)變的受力特點是造成刀頭脫落的主要原因；由于尾部受進給力和側(cè)向力作用，發(fā)生彎曲變形造成截齒外側(cè)輪廓應(yīng)力要高于內(nèi)側(cè)，工作過程中外側(cè)更容易發(fā)生破壞；沿著截齒橫截面輪廓線應(yīng)力分布結(jié)果表明，側(cè)向力方向受力大，應(yīng)變較大，側(cè)向力反方向應(yīng)力變化較小，且應(yīng)力變化幅度較大。