高 源
(山西煤炭運銷集團(tuán)華陽煤業(yè)有限公司,山西晉城 048012)
在礦山開采工作中,采煤機是極其重要的重型設(shè)備之一,主要作用是實現(xiàn)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(wěn)定性較強的截割性能,只有這樣才可以使采煤機持續(xù)穩(wěn)定地運行,提高開采效率。由于采煤機經(jīng)常在較差的環(huán)境中運行,因此截齒會出現(xiàn)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(jìn)行分析,并對其強度進(jìn)行校準(zhǔn)。
在該設(shè)備運行過程中,隨著滾筒的持續(xù)轉(zhuǎn)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(jìn)煤層深處,并與煤壁之間形成一定角度的切割。當(dāng)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(jù)剪切面的走向而發(fā)生裂痕,從而產(chǎn)生粉碎脫落現(xiàn)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(huán)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(zhuǎn)動和進(jìn)給作業(yè)的深入進(jìn)行,截齒將會持續(xù)對煤巖體造成沖擊,因此煤層的粉碎作業(yè)將會進(jìn)入周期性循環(huán),如圖1所示。
在開展切割作業(yè)過程中,煤巖會產(chǎn)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(zhuǎn)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(xù)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(jìn)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]。
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(jù)式(1)~(3),與鎬形截齒實際工況下的各個變量參數(shù)相結(jié)合,可得出FZ、FY和FX的數(shù)值分別為1 100 N、550 N和220 N。
截齒刀頭出現(xiàn)磨鈍之后,在截煤時主要存在截割阻力FZ0和推進(jìn)阻力FY0,計算式如下:
式中:f′為阻力系數(shù);δy為單軸的抗壓強度,MPa;Sd為受損面積,m2;k′y為接觸應(yīng)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(xiàn)的推進(jìn)阻力,N。
由式(4)~(5)可以算出,與鎬形截齒出現(xiàn)磨鈍之后的各個參數(shù)相結(jié)合,得出FZ和FY的數(shù)值分別為2 900 N和595 N。
在出現(xiàn)脫落狀況之后,齒體將會與煤體出現(xiàn)撞擊,導(dǎo)致FZ和FY持續(xù)上升,截齒的受力也會轉(zhuǎn)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,F(xiàn)Z1是其4~5倍;與FY相比,F(xiàn)Y1是其5~8倍[3]。因此,F(xiàn)Z1和FY1的數(shù)值分別為4 400和3 000 N。
3.1.1 三維模型和網(wǎng)格劃分
在Solidworks中建立起有效的截齒模型,利用相應(yīng)的文件導(dǎo)入ABAQUS,運用C3D10處理齒尖。在這3種工況下,齒體的間距、網(wǎng)格數(shù)量等如表1所示;截齒模型如圖3所示。
2.3 初產(chǎn)婦、經(jīng)產(chǎn)婦妊娠期不同類型的UI構(gòu)成比情況 經(jīng)卡方檢驗,初產(chǎn)婦、經(jīng)產(chǎn)婦妊娠期不同類型UI構(gòu)成比差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001)。其中,初產(chǎn)婦與經(jīng)產(chǎn)婦妊娠期SUI的患病率差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.001),經(jīng)產(chǎn)婦和初產(chǎn)婦UUI、MUI、OUI患病率,差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05),見表1。
表1 采煤機截齒網(wǎng)絡(luò)劃分參數(shù)表
圖3 截齒模型
3.1.2 材料參數(shù)
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(guān)參數(shù)如表2所示。
表2 采煤機截齒材料參數(shù)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(shè)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,F(xiàn)Z、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(fā)揮作用;FX與截齒的軸線之間形成90°的夾角,主要在側(cè)刃面的中心部位產(chǎn)生作用[4]。當(dāng)達(dá)到3 mm的磨鈍之后,F(xiàn)Z0、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(yè)過程中,齒座將會與煤體發(fā)生接觸,此時FZ1和FY1將會持續(xù)提升,兩種阻力分別在Y軸和X軸產(chǎn)生作用,作用發(fā)生部位在刀頭與齒座的交接處[5]。
通過對上述3種工況下截齒的運行狀態(tài)進(jìn)行模擬研究,得到了截齒等效應(yīng)力及位移變形的散布圖。在刀頭沒有發(fā)生磨鈍之前,其產(chǎn)生的變形量最大可達(dá)到0.017 mm,主要位于刀頭與齒座相交匯的部位;等效應(yīng)力的最大值為83.80 MPa,齒座及齒柄的接合部位存在應(yīng)力集中[6]。
當(dāng)?shù)额^出現(xiàn)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(yīng)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(yīng)力也會持續(xù)增加,所處部位在齒座與齒柄的交接點。
當(dāng)?shù)额^發(fā)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(yīng)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(yīng)力不斷增加,而齒柄與齒座交匯處所形成的等效應(yīng)力處于124.9~156.1 MPa[7]。
根據(jù)材料力學(xué)可知,齒體所使用的材料為42CrMo鋼,其具有450 MPa的極限屈服數(shù)值,而安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)基于實際的工況來進(jìn)行明確,一般為1.5,因此齒體受到300 MPa的許用應(yīng)力。通過分析可知,在這3種工況下,截齒所受到的等效應(yīng)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(yīng)力,而在等效應(yīng)力達(dá)到最大值時,該部位將會出現(xiàn)斷裂問題,齒座與齒柄的接合部位產(chǎn)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(dāng)采煤機處于正常運行狀態(tài)下,一旦滾筒出現(xiàn)異常狀況,很大可能就是因為刀頭出現(xiàn)脫落,此時應(yīng)當(dāng)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
(1)在刀頭脫落的狀況下,齒座所受到的等效應(yīng)力最大值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出該材料自身所具備的許用應(yīng)力,這時滾筒將會出現(xiàn)故障,應(yīng)當(dāng)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(fā)、制作及應(yīng)用,本研究所取得的結(jié)果可以為其提供有效依據(jù),從而提高截齒的使用時間和工作的穩(wěn)定性。