陳 萌

（山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

鉆式采煤機是在薄煤層、松軟煤層開采及煤柱回收開采過程中廣泛使用的采煤設備，鉆式采煤機沿水平方向布置在巷道內，通過不斷加長鉆桿向煤層深處開采。在鉆式采煤作業(yè)過程中，特別是保護層煤層硬度較大時，截齒受到的阻力作用較大，截齒的磨損較嚴重[1]。鎬形截齒是常用的截齒類型，齒尖采用硬質合金制成，具有一定的強度和耐磨性，通過釬焊的方式安裝在齒體內，齒柄安裝在齒座內可以自由轉動，實現自銳。截齒安裝的角度不同，在截割過程中受到的截割力作用不同，造成截齒磨損情況不同[2]。采用離散元仿真模擬的方式對不同安裝角度下的截齒受力進行分析，從而確定適宜的截齒安裝角度，減小截齒的磨損，提高鉆式采煤的效率。

1 截齒截割煤巖模型的構建

鉆式采煤機截齒有端盤和筋板兩種安裝形式，對筋板截齒安裝的角度進行分析。鉆式采煤機截齒的安裝角度包括切削角和旋轉角兩個參數表示，如圖1 所示，切削角表示截齒的軸線和齒尖運動軌跡之間的夾角，旋轉角表示截齒軸線和鉆頭軸線之間的夾角[3]。切削角改變截齒截割煤巖的位置，旋轉角改變筋板截齒的鉆進能力，使鉆頭更好地進行鉆進。對截齒的安裝角度進行分析，截割筋板截齒的特點，對兩種不同的角度參數進行模擬。

圖1 截齒安裝角度示意圖

采用PFC3D 離散元分析的方式對截齒截割的過程模擬，PFC3D 具有強大的邏輯推理性，可以直接建立球形顆粒模型，并創(chuàng)建顆粒之間的聯系，PFC3D 可以在計算過程中進行干預，及時發(fā)現錯誤，提高分析的效率。在PFC3D 軟件中建立鎬形截齒的模型，簡化單元格的數量進行網格劃分處理。煤巖的模型采用均勻剛性的顆粒組成，設定模型的尺寸為400 mm×400 mm×50 mm，煤巖中心為直徑300 mm 的鉆孔，截齒的截割厚度為15 mm，煤巖截割模型表面固定，得到截割煤巖的模型如圖2 所示[4]。設定截齒的切削角分別為45°、42°、40°、38°，旋轉角分別為25°、30°、35°、40°，兩兩組合共16種不同工況的模擬分析。

圖2 煤巖截割模型（單位：mm）

2 截齒不同安裝角度的受力模擬分析

對截齒的受力進行分析，提取受力分析的結果，為準確描述截齒的受力狀態(tài)，對截齒受力采用平鋪展開的形式進行展示，不同的受力作用采用不同的顏色表示。如下頁圖3 所示為切削角為38°、旋轉角為25°時截齒的受力圖，圖中藍色的區(qū)域表示作用力較小或作用力小于1 N，淺藍色表示作用力為1～6 N 的作用力，黃色表示9～11 N 的作用力，橘黃色表示11～13 N 的作用力，紅色表示大于13 N 的作用力。從圖3 中可以看出，截齒的受力作用由齒尖向著齒身部分逐漸遞減，紅色區(qū)域主要集中在合金頭的一定范圍內，紅色區(qū)域對應齒身的受力也相對較大。截齒的磨損區(qū)域主要集中在合金頭和截齒的上半部分，因此主要針對這一部分進行分析。由此對16 種不同工況下的截齒受力作用進行分析，經過分析可知，在不同的工況下，截齒的受力均由齒尖向著齒身減小，合金頭的受力作用最大，且分布不均，與煤巖接觸的一側受力較大；在切削角一定的條件下，則旋轉角越大截齒的表面受力越大；在旋轉角一定的條件下，隨著切削角的變化，截齒的頭部和截齒齒身的受力差異較大[5]。截齒與煤巖接觸表面的受力區(qū)域相似，隨著旋轉角度的增加，受到的作用力也隨之增加，在截割過程中容易造成截齒的磨損；截割產生的煤巖顆粒在鉆孔的底部有所殘留堆積，對截齒的背面易造成劃痕磨損，影響截齒的壽命。

圖3 切削角38°、旋轉角25°時截齒受力圖

截齒的磨損除與截齒表面的受力相關之外，在截齒的展開圖中還與截齒表面的網格受到的最大值相關。網格的受力越大，則越容易造成截齒的磨損，對不同工況下截齒的表面網格受到的最大的作用力進行統(tǒng)計，得到如圖4 所示的曲線圖。從圖4 中可以看出，隨著切削角的增加，4 種不同旋轉角截齒表面的網格受到的最大作用力值呈現先增加后減小的趨勢，在截齒的切削角為42°時達到最大值；4 條曲線中，隨著旋轉角的增加，截齒表面的網格受到的最大作用力值呈增加的趨勢，在旋轉角為25°時，截齒表面的網格受到的最大作用力值最小，然后呈現遞增的趨勢。

圖4 截齒表面的網格受到的最大作用力值變化曲線

3 結論

不同的安裝角度下的截齒受力均由截齒的合金頭到齒身逐漸減小，合金頭受到的作用力較大，且與煤巖接觸的一側作用力較大；隨著切削角的增加，4種不同旋轉角截齒表面的網格受到的最大作用力值呈現先增加后減小的趨勢；隨著旋轉角的增加，截齒表面的網格受到的最大作用力值呈增加的趨勢。通過對截齒不同安裝角度的受力分析，可以為截齒應用過程中的參數選取提供依據，從而減小截齒的受力，減小截齒的磨損，提高截齒的壽命。