付李芳

（山西潞安環(huán)保能源股份開發(fā)有限公司五陽煤礦，山西 長治 046205）

引言

掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道的掘進(jìn)是保障礦井快速安全開采的重要環(huán)節(jié)。在掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行巷道掘進(jìn)的過程中，截齒作用于煤巖進(jìn)行截割破巖，由于受力作用較大，作業(yè)環(huán)境復(fù)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(jìn)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(guān)，還與掘進(jìn)過程中的影響因素有關(guān)。在提高截齒的耐磨性的同時，對掘進(jìn)過程中的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)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(tài)，從而可以減少截齒的更換，提高巷道的掘進(jìn)效率[2]。

1 截齒截割巖層模型的建立

在截齒進(jìn)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(tài)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(yīng)力造成的影響進(jìn)行分析，從而可以選擇合理的截割參數(shù)改善應(yīng)力分布狀態(tài)，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(chǎn)生磨損[3]。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，采用有限元分析的方式對截齒的應(yīng)力變化進(jìn)行分析，確定其磨損規(guī)律，可以有效地解決對截齒截割過程難以進(jìn)行試驗分析的難題。

選擇ABAQUS 作為截齒應(yīng)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(jìn)行建模的過程中，依據(jù)實際的截齒考慮到計算及求解過程的復(fù)雜性，將模型進(jìn)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(shè)定為顯示動力學(xué)分析，由于煤巖的變形，設(shè)定幾何非線性打開，對整個模型進(jìn)行輸出，設(shè)定時間間隔為1 000 s。對截齒的合金頭和齒體設(shè)定為綁定約束，跟隨截割頭轉(zhuǎn)動實現(xiàn)截割。對所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在劃分網(wǎng)格時，綜合考慮網(wǎng)格數(shù)量及計算精度的影響，避免長時間的運(yùn)算，對截齒和煤巖模型分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而針對性地選擇網(wǎng)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(yīng)力變化進(jìn)行模擬計算。

2 截齒磨損影響因素數(shù)值模擬分析

2.1 截割速度對截齒的應(yīng)力變化影響分析

截割速度通過截割頭的轉(zhuǎn)速來體現(xiàn)，轉(zhuǎn)速越高，則此時的切屑厚度減小，造成的粉塵量增加，轉(zhuǎn)速越低，則切屑厚度增加，造成截齒的受力作用增加，容易產(chǎn)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(shè)定截割深度為20 mm，對截齒的應(yīng)力狀態(tài)分別進(jìn)行模擬，得到如下頁圖2 所示的應(yīng)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(yīng)力面積明顯增加，截齒以一定的截割速度與煤巖發(fā)生沖擊，產(chǎn)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(chǎn)生的沖擊力越大，從而使得截齒合金頭的應(yīng)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(chǎn)生一定的變形。

圖2 不同截割速度截齒應(yīng)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(xiàn)較高的應(yīng)力，分別提取齒尖、合金頭齒體連接位置處的應(yīng)力進(jìn)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(yīng)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(yīng)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(fā)生碰撞，同時截齒向前運(yùn)動造成截齒的應(yīng)變，產(chǎn)生較高的應(yīng)力。

圖3 截齒不同位置的應(yīng)力對比曲線

2.2 截割深度對截齒的應(yīng)力變化影響分析

截割深度是截割頭在旋轉(zhuǎn)過程中，每個截齒的切削深度，截割深度與截割頭的轉(zhuǎn)速及截齒數(shù)量相關(guān)。選定不同的截割深度分別為20 mm、30 mm、40 mm，對截齒的應(yīng)力狀態(tài)分別進(jìn)行模擬，得到如圖4所示的應(yīng)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(yīng)力區(qū)域明顯增加，且應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)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(kuò)大了齒體的磨損區(qū)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(yè)的繼續(xù)，磨損逐漸累積。在截齒的結(jié)構(gòu)中，合金頭齒體連接位置處常采用釬焊的方式進(jìn)行連接，由于受到的應(yīng)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(yīng)力（Pa）變化云圖

3 結(jié)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(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果表明，隨著截割速度的增大，合金頭上的應(yīng)力增加，且截齒的變形應(yīng)力增加；截割深度增加，則截齒的應(yīng)力區(qū)域明顯增加，截齒的合金頭齒體連接位置處是受到應(yīng)力最大的位置，且容易與煤巖產(chǎn)生接觸，而造成磨損。在實際應(yīng)用過程中，應(yīng)避免合金頭齒體連接位置處與煤巖產(chǎn)生接觸，從而改善截齒的應(yīng)力狀態(tài)，避免造成接觸磨損，延長截齒的使用壽命，從而提高掘進(jìn)作業(yè)的效率。