袁慧娟
(大同煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系,山西大同 037000)
采煤機(jī)是煤礦綜采工作面的主要設(shè)備,負(fù)責(zé)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(duì)煤體進(jìn)行擠壓、切削使其破碎掉落,該動(dòng)作循環(huán)往復(fù)進(jìn)行,在煤層夾矸、局部破巖等復(fù)雜環(huán)境下,截齒會(huì)出現(xiàn)磨損、磕傷甚至出現(xiàn)齒座開(kāi)裂導(dǎo)致截齒脫落等問(wèn)題。為研究采煤機(jī)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(qiáng)度,為截齒的使用、設(shè)計(jì)及制造提供依據(jù)。
利用采煤機(jī)割煤時(shí),隨采煤機(jī)向前行走切入煤體,切入煤體過(guò)程中主要依靠滾筒旋轉(zhuǎn)時(shí)外沿的鎬形截齒對(duì)煤體進(jìn)行切割破碎,破碎的煤體隨滾筒向外螺旋布置的導(dǎo)煤槽進(jìn)入運(yùn)輸機(jī),隨著截齒對(duì)截割范圍內(nèi)煤體的破碎,周圍煤體因受擠壓和沖擊強(qiáng)度隨之降低,在下一循環(huán)截割時(shí)截齒受力也會(huì)相應(yīng)減少,形成周期性循環(huán)[1]。
采煤機(jī)鎬形截齒在割煤時(shí),截齒刀頭鍥入煤巖體,對(duì)煤巖體形成擠壓,當(dāng)壓力超過(guò)煤巖體抗壓強(qiáng)度后,煤巖體隨之破碎,在對(duì)煤巖體破碎過(guò)程中,煤巖體會(huì)對(duì)截齒刀頭形成一個(gè)反作用力[2],這一反作用力造成截齒磨損。通過(guò)分析截齒在截割過(guò)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。
通過(guò)分析及圖1 所示,完整的截齒截割時(shí)其刀頭前刃面會(huì)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(cè)面會(huì)受到煤巖體側(cè)壓力用FX表示,計(jì)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(duì)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(jìn)阻力與截割阻力的比值
將完整的鎬形截齒參數(shù)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(cè)壓力為0.22 kN。
磨鈍后的截齒刀頭,截割時(shí)的受力主要有刀頭截割阻力FZ0和刀頭齒座推力FY0,計(jì)算公式:
式中 FZ——截齒未磨鈍前刀頭截割阻力,kN
σy——煤巖體強(qiáng)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(shù)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。
鎬形截齒前端刀頭脫落后,截割時(shí)則由齒座直接截割,其截割阻力和推進(jìn)阻力均急劇增大,通過(guò)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(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,截割阻力為正常情況下的4~5 倍,推進(jìn)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(jìn)阻力為2.75~4.4 kN。
采煤機(jī)齒座材料一般為42CrMo 鋼,該材料剛度較強(qiáng),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(duì)齒尖加密采用二次元C3D10 處理。針對(duì)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(qiáng)度進(jìn)行模擬分析。
在鎬形截齒仿真模型中,對(duì)截齒刀頭進(jìn)行模擬加載,觀察不同工況下的截齒等效應(yīng)力和位移變形,針對(duì)不同工況進(jìn)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(jì)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(jì)算;刀頭推進(jìn)阻力按水平夾角計(jì)算為-42.5°,推進(jìn)阻力受力位置按刀頭后刃面的中心計(jì)算;圍巖對(duì)截齒的側(cè)壓力與截齒軸線垂直,按作用點(diǎn)集中在側(cè)刃面的中心計(jì)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(jì)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(diǎn)處計(jì)算,刀頭的推進(jìn)阻力按水平夾角計(jì)算為-47.5°,磨鈍后刀頭的推進(jìn)阻力受力位置按刀頭后刃面中點(diǎn)處計(jì)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(jìn)阻力按照刀頭脫落后的計(jì)算都將增大數(shù)倍,受力方向也變?yōu)樗椒较蚝痛怪狈较颍芰ξ恢脛t直接集中在齒座前端。
模擬狀態(tài)下對(duì)不同工況的采煤機(jī)鎬形截齒進(jìn)行加載,通過(guò)加載得到鎬形截齒的等效應(yīng)力分布和位移變形結(jié)果:①刀頭未磨鈍情況下,通過(guò)加載測(cè)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(cè)得截齒所受最大等效應(yīng)力為83.8 MPa,應(yīng)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(guò)加載測(cè)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(cè)得截齒所受最大等效應(yīng)力為218.8 MPa,應(yīng)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(yīng)力增加超過(guò)一倍;③刀頭脫落情況下,通過(guò)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(yīng)力增加到了374.6 MPa,應(yīng)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(yīng)力呈數(shù)倍增大,應(yīng)力集中位置也發(fā)生了變化。
根據(jù)材料力學(xué)查詢結(jié)果,鎬形截齒材料為42CrMo 鋼,其屈服極限是450 MPa[3-4],實(shí)際截割過(guò)程中,因煤層夾矸及破巖等異常情況下,圍巖對(duì)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(shù),則齒體的最大許用應(yīng)力按450/1.5=300 MPa計(jì)算。刀頭完整情況下截齒所受最大等效應(yīng)力為83.8 MPa,刀頭磨鈍5 mm 情況下截齒所受最大等效應(yīng)力為218.8 MPa,刀頭脫落情況下齒座所受最大等效應(yīng)力為374.6 MPa,由此得出,刀頭脫落后齒座所受最大等效應(yīng)力超過(guò)42CrMo 鋼的許用應(yīng)力,即刀頭脫落后繼續(xù)截割會(huì)在齒座和刀頭連接處(最大等效應(yīng)力處)發(fā)生嚴(yán)重磨損甚至斷裂,截齒的連接桿也會(huì)發(fā)生彎曲變形。該受力與變形情況與實(shí)際過(guò)程中發(fā)現(xiàn)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(guò)上述分析得出:采煤機(jī)截割期間,一旦發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)行走阻力增大、滾筒刀盤(pán)發(fā)出異常振動(dòng)或聲響,則可能有截齒刀頭嚴(yán)重磨鈍或刀頭脫落情況,應(yīng)及時(shí)停機(jī)檢查更換,避免造成齒座磨損和異常振動(dòng)損壞采煤機(jī)其他部件。
通過(guò)對(duì)采煤機(jī)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(xù)截割會(huì)對(duì)齒座構(gòu)成較大損壞。因此在實(shí)際工作中,每班檢測(cè)截齒變形情況,發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重磨鈍的刀頭和刀頭脫落的截齒應(yīng)及時(shí)更換,避免造成更大損失而影響正常生產(chǎn)。