付李芳

（山西潞安環(huán)保能源股份開發(fā)有限公司五陽(yáng)煤礦，山西 長(zhǎng)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(duì)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(shí)，對(duì)掘進(jìn)過程中的運(yùn)動(dòng)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(duì)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(duì)截割過程中的截割速度與截割深度對(duì)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(duì)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(duì)截齒截割過程難以進(jìn)行試驗(yàn)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(duì)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(shí)際的截齒考慮到計(jì)算及求解過程的復(fù)雜性，將模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)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(duì)所建立的模型設(shè)定為顯示動(dòng)力學(xué)分析，由于煤巖的變形，設(shè)定幾何非線性打開，對(duì)整個(gè)模型進(jìn)行輸出，設(shè)定時(shí)間間隔為1 000 s。對(duì)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(dòng)實(shí)現(xiàn)截割。對(duì)所建立的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在劃分網(wǎng)格時(shí)，綜合考慮網(wǎng)格數(shù)量及計(jì)算精度的影響，避免長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)算，對(duì)截齒和煤巖模型分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而針對(duì)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(duì)截齒的應(yīng)力變化進(jìn)行模擬計(jì)算。

2 截齒磨損影響因素?cái)?shù)值模擬分析

2.1 截割速度對(duì)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(lái)體現(xiàn)，轉(zhuǎn)速越高，則此時(shí)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(duì)截齒的應(yīng)力狀態(tài)分別進(jìn)行模擬，得到如下頁(yè)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(shí)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(duì)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(zhǎng)的趨勢(shì)，波動(dòng)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(dòng)，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(shí)截齒向前運(yùn)動(dòng)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(duì)比曲線

2.2 截割深度對(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(shí)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(zhǎng)截齒的使用壽命，從而提高掘進(jìn)作業(yè)的效率。