基于Nastran的采煤機截齒疲勞壽命分析及優化

張喜平

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦， 山西 古交 030203）

引言

目前，具有高度自動化程度的采煤機不斷被應用于井下綜采工作面，極大地提升了煤礦井下的綜采效率。采煤機通過執行電機帶動截割機構上的滾筒以一定的速度旋轉，利用分布在截割滾筒上的截齒切入到煤壁中，隨著滾筒的轉動對煤壁產生一定的擠壓作用，將煤炭從煤壁上切割下來，完成落煤任務[1]。在切割的過程中煤壁對截齒產生無規則的交變應力作用，造成截齒的受力破壞，嚴重影響了井下綜采作業的效率，因此需要對影響采煤機截齒使用壽命的因素進行分析，探索提高采煤機截齒工作時受力和使用壽命的措施。

1 截割機構截齒安裝角與截齒受力分析

截齒在截割滾筒上的安裝角為截齒端部與截割滾筒中心的連線和截齒軸線的夾角，為確保落煤時的可靠性，需確保作用在截齒上的截割阻力在截齒的錐角范圍內。

采煤機截割滾筒截齒在執行落煤任務時，煤壁作用在截齒上的截割阻力可表示為[2]：

式中：bp為截齒平均寬度；θ為截齒錐體錐角；β為截齒在滾筒上的安裝角；A為截割過程作用在截齒上的截割阻抗；h為截齒切入煤壁的深度。

2 采煤機截割煤壁三維仿真模型的建立

利用Creo三維建模軟件建立采煤機截割滾筒截割煤壁時的三維模型，將其導入到Ansys仿真分析軟件中，分別對截齒安裝角度為35°、40°、45°和50°情況下作用在截齒上的截割阻力進行仿真分析，為確保仿真結果的準確性，根據實際測量的煤壁狀況，設置煤壁模型的密度為1 500 kg/m3，煤層對截齒的剪切彈性模量設置為290 MPa，采煤機運行時的牽引速度為0.12 m/min，截齒與煤壁的接觸剛度為0.01，截割滾筒截割作業時的運行速度為40 r/min，設置仿真分析的時間為10 s，采煤機截割煤壁時的三維模型如圖1所示。

圖1 采煤機截割煤壁三維模型

3 不同安裝角情況下截齒截割阻力的仿真分析

利用Ansys仿真分析軟件對采煤機截割機構切割煤壁時作用在截齒上的截割阻力進行仿真分析[3]，分析結果如下頁圖2所示。

將仿真分析結果帶入Matlab中，利用其數值模擬計算程序對仿真分析結果進行求解，結果如下頁表1所示。

由仿真分析結果可知，截割機構的截齒安裝角度在40°時的平均截割阻力最小，當截齒安裝角在45°時的最大截割阻力最小，當截齒安裝角過小時導致截齒每次切入煤壁的深度較小，在截割過程中作用在截齒上的單位面積截割阻力增加。當截齒安裝角度過大時，導致切割煤壁時截齒下側與煤壁接觸面積過大增加了煤壁作用在截齒上的作用力導致。

采煤機截割機構在將煤炭從煤壁上切割下來的瞬間會產生煤層的崩落效應，導致作用在截齒上的截割阻力瞬間降低。從表1分析可知，在工作時煤壁作用在截齒上的截割阻力并不是隨著按照角度的增加而呈規律性的增加或者減小。在相同條件下安裝角為45°時作用在截齒上的截割阻力的峰值最小，在截割過程中的截割阻力的波動也相對平緩。

圖2 不同安裝角情況下的截割阻力

表1 不同安裝角情況下的截割阻力數值統計

4 截齒的疲勞壽命分析

采煤機截割機構失效的主要由于截齒的斷裂，截割機構在工作時切割到巖壁受外力作用折斷或者是在長期截割阻力的作用下截齒齒身受到不規則的交變應力的反復作用，在經過長時間的工作后，截齒在應力集中的部位發生疲勞破壞，最終導致截齒的折斷。因此對截齒進行疲勞壽命分析，提高截齒在工作時的使用壽命對提升采煤機整體的經濟性和可靠性具有十分重要的意義。本文利用Nastran仿真分析軟件，在其材料庫中設定4340合金作為截齒材料，將在Ansys仿真分析[4]中獲得的截齒在不同安裝角度情況下的最大截割阻力分別作用在截齒上，按照SWT準則對其受力情況下的疲勞壽命進行分選，仿真分析結果如圖3所示。

圖3 不同安裝角下截齒的疲勞壽命（次）分析

由圖3可知，截齒在受交變截割阻力的作用下齒身最易發生疲勞斷裂，根據仿真分析結果，當截齒安裝較為35°時其最小的疲勞壽命約為4.84×104次，截齒安裝較為40°時其最小的疲勞壽命約為5.07×104次，截齒安裝較為45°時其最小的疲勞壽命約為6.41×104次，截齒安裝較為50°時其最小的疲勞壽命約為1.17×104次。由此可知當截齒安裝角度為45°時其具有最大的疲勞壽命，因此相對于其他的截齒安裝角度，在45°的條件下截齒更不易出現斷裂，使用壽命也更長，能夠顯著提高采煤機截割機構的工作壽命。

5 結論

建立采煤機截齒安裝角與截割阻力的數學模型，利用Ansys仿真分析軟件對采煤機截割結構截齒分別在不同安裝角度情況下截割機構切割煤壁的過程進行仿真分析，獲得了采煤機在截割運動時作用在截齒上的截割阻力和截齒安裝角的關系。利用Nastran仿真分析軟件對采煤機在不同安裝角度下的疲勞壽命進行分析，結果表明當采煤機截齒的安裝角度為45°時具有最長的疲勞壽命，對優化采煤機截割機構，提高采煤機工作的可靠性和穩定性具有較強的指導意義。