采煤機鎬型截齒在不同安裝角度下的靜力學(xué)性能分析

吳瑞仕

（晉能控股煤業(yè)集團倉儲供應(yīng)分公司，山西 大同 037000）

引言

在煤礦開采中采煤機截齒作為截割煤巖的主要元件，其性能的優(yōu)劣對截割開采的效率及成煤的質(zhì)量具有直接的影響[1]。由于煤礦井下開采環(huán)境的惡劣性，截齒的磨損及破損常有發(fā)生，對煤礦的開采效率及成本造成一定的影響。采煤機鎬型截齒的安裝角度不同，使得截齒在進行煤巖截割的過程中接觸情況不同[2]，從而影響截齒的性能。針對采煤機鎬型截齒不同安裝角度受到的應(yīng)力及應(yīng)變進行分析，從而對鎬型截齒安裝角度的選擇進行指導(dǎo)優(yōu)化。

1 鎬型截齒仿真分析模型的建立

采煤機的鎬型截齒主要包括齒尖、齒身及齒柄部分，首先對鎬型截齒進行三維模型的創(chuàng)建。依據(jù)某型號的鎬型截齒為研究對象，采用Pro/e進行截齒三維模型的創(chuàng)建，并進行模型的修復(fù)整理[3]，將其導(dǎo)入到有限元分析軟件HyperWorks中。

HyperWorks是集成度高的CAE分析軟件[4]，具有常用的CAD數(shù)據(jù)格式接口，可直接導(dǎo)入模型，并可提供建模、可視分析、優(yōu)化分析及多體仿真、制造仿真等。文中主要應(yīng)用HyperWorks進行截齒模型的前處理，并進行求解運算，將結(jié)果進行后處理可視化分析。

對鎬型截齒模型進行網(wǎng)格劃分，在進行網(wǎng)格劃分時，如果僅進行截齒結(jié)構(gòu)的變形分析，則網(wǎng)格的數(shù)量可以少一些，這樣可以減少仿真分析的計算量[5]；對鎬型截齒的應(yīng)力進行分析，則在精度相同的情況下，應(yīng)選擇較多的網(wǎng)格。采用實體單元進行網(wǎng)格劃分，并對齒尖部分進行網(wǎng)格的細化劃分，得到鎬型截齒的網(wǎng)格劃分模型如圖1所示。

圖1 鎬型截齒網(wǎng)格模型

對截齒的材質(zhì)進行設(shè)定，截齒主要材料為42CrMo，在軟件中，新建材料卡片，選取各向同性材料，并42CrMo材料的參數(shù)進行設(shè)置[6]。鎬型截齒的尾端位置安裝于齒座上，限制截齒尾部的自由度，對不同安裝角度下的截齒的性能進行分析。

2 不同安裝角度鎬型截齒的性能分析

截齒的旋轉(zhuǎn)切向與截齒軸支架的夾角為安裝角度，截齒的安裝角度不同，則對煤巖破煤效果及截割阻力具有不同的影響。對不同安裝角度下鎬型截齒的性能進行分析，設(shè)定煤巖的截割深度為20 mm，截齒的安裝角度分別為15°、45°及75°，煤層為韌性煤層進行截齒截割的性能分析[7]。

當安裝角度為15°時，對采煤機截齒的三向力進行計算，并將三向力載荷圍繞齒尖進行創(chuàng)建，構(gòu)建此時的有限元模型。由此對截齒的應(yīng)力及變形進行分析，得到如圖2的應(yīng)力分布圖（變形圖略）。從圖2中可以看出，齒尖位置受到的應(yīng)力最大，應(yīng)力的變化階梯較大，分布不均。截齒的安裝角度較小，對煤巖的破壁效果差，形成的破落煤層少，截齒受到的破壞較大。從下頁圖3中可以看出，截齒的應(yīng)變也以齒尖位置最大，應(yīng)變分布不均，容易造成截齒磨損。

圖2 安裝角度為15°時的鎬型截齒的應(yīng)力分布

為進一步分析截齒應(yīng)力應(yīng)變的變化情況，對鎬型截齒沿著軸線方向進行一系列樣本點的設(shè)置，樣本點編號由安裝齒座部分向齒尖尖端由小到大進行編號，沿軸線方向共計分布2 000個樣本點，對三種不同安裝角度下的截齒的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進行采集。保持其他參數(shù)不變，改變鎬型截齒的安裝角度，分別對三種不同安裝角度下的截齒的應(yīng)力及應(yīng)變進行分析，對所得到的應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果進行對比，對樣本點的應(yīng)力應(yīng)變變化進行作圖，得到如圖3、圖4所示的應(yīng)力及應(yīng)變變化曲線。

從圖3中可以看出，在三種不同的安裝角度下，截齒的應(yīng)力隨取樣點的變化趨勢分布一致，隨著樣本點靠近齒尖位置應(yīng)力逐漸增加。當截齒的安裝角度為15°時所受到的應(yīng)力值最大，當安裝角度為75°時應(yīng)力水平較低，而安裝角度為45°時，截齒的應(yīng)力值最小。同樣從圖4中可以看出，截齒的應(yīng)變變化趨勢隨取樣點的分布具有一致性，即齒尖處的應(yīng)變量最大。不同安裝角度下截齒的應(yīng)變大小，以15°時的應(yīng)變值最大，75°時的應(yīng)變較低，而45°時的應(yīng)變值最低。由此則在三種選定的安裝角度下，45°安裝角的時候截齒的應(yīng)力應(yīng)變值最低，此時截齒的性能最為優(yōu)異，在進行截齒的設(shè)計及使用過程中，可據(jù)此對截齒的安裝角度進行優(yōu)化。

圖3 三種不同安裝角度下鎬型截齒的應(yīng)力變化曲線

圖4 三種不同安裝角度下鎬型截齒的變形量變化曲線

3 結(jié)語

采煤機截齒是進行煤巖截割的主要元件，對于落煤的效果及截割效率具有重要的影響，同時，截齒受到煤巖復(fù)雜多變的影響，容易產(chǎn)生磨損及破損現(xiàn)象，影響采煤機的作業(yè)。截齒的安裝角度不同，不僅對煤巖的截割效果產(chǎn)生影響，而且對自身的承載也具有重要的影響。選取采煤機鎬型截齒的不同安裝角度，采用有限元仿真分析的方式對其自身的應(yīng)力應(yīng)變靜力學(xué)性能進行分析。結(jié)果表明，在三種不同的安裝角度下，以45°時截齒的應(yīng)力應(yīng)變最小，且三者的應(yīng)力應(yīng)變趨勢分布一致。在進行截齒的設(shè)計及使用過程中，可據(jù)此對截齒的安裝角度進行優(yōu)化，從而改善截齒的受力，提高采煤機的可靠性。