張俊偉

（潞安集團余吾煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046103）

引言

掘進機是直接作用于工作面掘進切割和煤炭開采的高效工具，用于破碎煤和巖石。切削截齒的性能直接影響到整機的工作效率、可靠性、使用壽命以及整機的經濟效率。由于切割截齒所處的工作環(huán)境較惡劣，切割截齒的磨損和損壞非常嚴重，因此，切割截齒已成為最脆弱的部件之一，需要經常更換。據統(tǒng)計，我國截齒的消耗量為每萬噸煤礦開采400～800個，截齒的使用效率普遍較低。研究人員主要通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬進行研究，研究集中在巖石切割過程上，而不是在切割齒上。因此，本文首先討論了切割齒圓錐挑選的失效，并通過理論計算分析了切割齒載荷力，在此基礎上建立了靜態(tài)有限元模型，計算了切割齒圓錐挑選的強度；為了驗證仿真結果的準確性，利用接觸分析建立了截齒錐形挑選的實際切削模型，并將該結果與靜態(tài)有限元分析結果進行了比較[1]。研究成果為掘進機截齒圓錐挑選設計優(yōu)化提供了依據。

1 截割齒失效分析

1.1 截齒的磨損

錐形截齒由刀桿和合金刀頭組成。刀桿一般由合金結構鋼制成，刀頭使用硬質合金制成。掘進機工作時，合金刀頭在切削過程中直接與巖石相互作用，因此應具有足夠的硬度和耐磨性。刀桿用于支撐合金刀頭，并與刀架連接，通過焊接固定在一起，形成錐形刀頭。截齒在截割過程中經常遇到高壓縮應力、剪切應力和沖擊載荷下的煤矸石等堅硬的礦物聚集體。因此錐形截齒的工作條件非常復雜，出現(xiàn)故障在所難免。

隨著切割時間的延長，在切割過程中，截齒與煤石的摩擦使切割尖變鈍，如圖1中a情況。根據磨損理論，煤到金屬的磨損屬于磨料磨損。煤中的硬質礦物（如石英、黃鐵礦等）是造成干摩擦狀態(tài)下磨料磨損的主要原因[2]。錐形截齒切削部件面積增大，導致切割阻力增大，切削挑選強度降低，粉塵量增加。刀具切割過程中由于磨損熱產生600～800℃高溫，但錐形截齒與煤和巖石接觸時的周期性旋轉運動導致升溫，偏離煤和巖石時冷卻，使錐形截齒頂部高溫回火，組織回屑和鐵氧體發(fā)生高溫回火。因此截齒的硬度降低了50%，加速了截齒的磨損，地下環(huán)境介質的腐蝕也導致截齒腐蝕磨損[3]。

圖1 截齒不同失效類型示意圖

1.2 硬質合金工具鉆頭脫落

當截齒的磨損達到一定程度時，截齒上的硬質合金刀頭脫落，如圖1中b情況。脫落的原因主要包括兩個方面：焊接質量問題，如焊點上的夾砂物、微裂紋、冷焊縫等問題；當截齒切煤和巖石導致錐形切煤應力集中時，會發(fā)生強沖擊載荷，反復沖擊導致硬質合金工具松動，直到硬質合金工具脫落。硬質合金刀頭脫落后，錐形刀頭切割阻力增大，磨損嚴重，加速了錐形截齒的損壞[4]。

1.3 截齒合金頭的丟失

在實際使用過程中，圓錐形合金頭的損失也是一個常見的問題，如圖1中c情況。損失產生主要由于合金頭固定不夠可靠以及固定裝置的磨損，此外在錐體的工作過程中，錐體的斷裂、錐體的彎曲以及其他一些錐體的失效形式也是導致?lián)p失的原因[5]。為了避免刀的損壞，首先要得到截齒所受的工作載荷。

2 截齒靜力學分析

2.1 有限元建模與網格劃分

為了分析截齒的強度，首先采用ANSYS對采煤工作進行了靜力學分析。在實際切割過程中，根據截齒的載荷特性，認為截齒所受的力是簡化集中力，不考慮動態(tài)載荷的影響，不考慮截齒在齒座上的旋轉。

截齒實體模型結構參數(shù)為長度135 mm，最大直徑65 mm，刀頭長度15 mm，刀桿直徑38 mm。材料參數(shù)定義為彈性模量670 GPa，泊松比0.3。選擇Solid10節(jié)點92號單元進行分析，錐形選擇與智能尺寸網格化分，底座連接的部分被細化[6]，產生29 606個節(jié)點和19 005個網格。

2.2 裝載與約束

分析類型被定義為靜態(tài)的。根據實際工況計算切割阻力，切割阻力為6.5 kN，牽引阻力為3.2 kN，橫向阻力為1.8 kN。已完成的帶有載荷和約束的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元網格模型示意圖

2.3 求解結果分析

在完成上述所有設置之后，進行仿真結果分析，結果如圖3所示。變形圖的顯示模式采用高解析力的變形形式顯示，直觀地考慮截齒的變形，其中虛線為變形前的截齒的形狀，其余為變形后的結果?？梢钥闯?，主要變形發(fā)生在截齒的頂部區(qū)域。

圖3 截齒形變示意圖

由圖3可以看出，截齒的最大應力出現(xiàn)在工具位上，最大Von mises應力為107.629 MPa，主要是由于該區(qū)域受力集中所致。根據靜態(tài)分析結果，截齒在靜載荷下沒有損壞。

3 截齒強度接觸分析

3.1 切割系統(tǒng)有限元建模與網格化

為了簡化分析模型，建立了切割頭和有限體積長方體來模擬煤質模型?？紤]到接觸分析的收斂性，將截齒插入煤模型中，建立了表面接觸模型。Solid185單元類型定義為圓錐形挑選，Solid65用于煤模型。接觸類型是面對面設置的，模擬與TARGE170和CONTA174接觸元件的接觸表面，其目標表面和接觸表面具有柔性。煤的材料參數(shù)定義為：彈性模量為1 400 MPa，泊松比為0.3，截齒的材料參數(shù)與前一節(jié)相同。接觸摩擦系數(shù)設為0.1。

截齒和煤的模型對接觸面積進行細化，得到211596個節(jié)點和107 792個網格。網格后的有限元模型如圖4所示。

圖4 切削系統(tǒng)的有限元模型

3.2 分析結果與討論

由于接觸面積小，很難從整個模型中觀察到截齒的應力，因此將煤模型隱藏，只顯示截齒通過接觸分析觀察其內部的應力，如圖5所示。

圖5 截齒內部應力（MPa）云圖

從圖5中可以看出，工具位中也出現(xiàn)了最大等效應力，該情況與靜態(tài)分析結果相同，最大等效應力值為114.716 MPa，近似等于靜態(tài)分析。截齒表面通過接觸繪制垂直應力，隨截齒中心軸距離變化分析如圖6所示。

圖6 截齒頭應力曲線示意圖

由上頁圖6可以發(fā)現(xiàn)，截齒上的應力集中確實存在，高應力是硬質合金工具脫落斷裂的重要原因之一。在實際采礦作業(yè)開始時，硬質合金工具發(fā)生磨損。錐形截齒與煤和巖石的接觸增加，磨損加速了合金刀具鉆頭的脫落，導致錐形截齒失效。

4 截割角度優(yōu)化分析

切削角是截齒刀頭運動軌跡切線之間的夾角，對截齒的強度有很大影響。通過上述接觸分析，可以建立不同切割角度的切割系統(tǒng)模型，分析不同模型的錐選強度，以找到截齒的最佳切割角度。截齒切角一般在40°～55°之間。為了研究切削角對截齒選取強度的影響，優(yōu)化該角，建立了切削角分別為40°、43°、46°、49°、49°、52°、55°的接觸分析有限元模型，經模擬接觸分析得到不同切削角度下的最大等效應力，如圖7所示。從圖7中可以看出，最大等效應力首先隨著切削角的增大而減小，然后隨著切削角的增大而增大。由此可以得出，這種錐形截齒的最佳切割角約為46°。

5 結語

圖7 最大等效應力與切削角的關系曲線

本文研究了截齒的失效形式，主要包括截齒的磨損、硬質合金刀頭的脫落、截齒的丟失等。根據基于ANSYS的經驗公式計算出的荷載進行了靜態(tài)分析。為了檢驗靜態(tài)分析的結果，研究了錐形切削過程的接觸分析。分別得到了截齒的變形圖和應力分布，驗證了分析結果的一致性。結果表明，截齒的最大應力出現(xiàn)在底座合金部位，該區(qū)域也發(fā)生了主要變形。掘進機截齒強度的有限元分析對提高截齒的設計和使用壽命具有重要意義。