采煤機(jī)滾筒鎬型截齒的失效分析及研究

郭鵬宇

（永定莊煤業(yè)公司綜采二隊(duì)，山西 大同 037003）

引言

隨著開采自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，采煤機(jī)開采的任務(wù)量不斷增加，在提高開采效率的同時(shí)，對(duì)于采煤機(jī)截齒的要求也逐漸提高。截齒是進(jìn)行煤巖截割的工具，鎬型截齒是螺旋滾筒工作的刀具，在工作過(guò)程中，鎬型截齒利用點(diǎn)接觸的形式將煤巖壓實(shí)切割，從而實(shí)現(xiàn)煤巖的開采。鎬型截齒通過(guò)齒座安裝于刀身上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于制造，工作時(shí)的截割角度小，比能耗小，可靠性高于扁形截齒，在采煤機(jī)中具有廣泛的應(yīng)用[1]。采煤機(jī)在工作過(guò)程中的大量作業(yè)，對(duì)截齒造成一定的磨損甚至失效，影響礦井的開采作業(yè)。采用有限元分析的方式，對(duì)鎬型截齒的應(yīng)力及變形進(jìn)行分析，從而對(duì)其主要的失效形式進(jìn)行研究分析，以提高截齒的使用壽命。

1 鎬型截齒有限元分析模型的建立

鎬型截齒的主要結(jié)構(gòu)包括刀頭和刀身兩部分，刀身一般采用合金鋼材質(zhì)制成，刀頭則常采用硬質(zhì)合金制成，具有較好的強(qiáng)度和韌性。在使用過(guò)程中，將刀頭鑲嵌到刀身上，并采用合金進(jìn)行焊接，保證刀頭部分的強(qiáng)度韌性，并提高截齒的抗沖擊性能。采用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行鎬型截齒的應(yīng)力變形分析，一般分為前處理、求解及后處理三個(gè)部分[2]，首先要建立截齒的結(jié)構(gòu)模型。在ANSYS中進(jìn)行截齒的建模相對(duì)復(fù)雜，操作環(huán)境麻煩，利用ANSYS與CAD軟件間的直接接口技術(shù)，采用Pro/E建模軟件進(jìn)行截齒模型的建立，通過(guò)數(shù)據(jù)接口直接將模型以igs的文件格式導(dǎo)入到ANSYS中，進(jìn)行模型的設(shè)置及前處理。

對(duì)于建立的截齒模型，設(shè)定截齒材質(zhì)為硬質(zhì)合金，有限單元類型選定為四面體單元，進(jìn)行截齒的網(wǎng)格模型劃分，刀頭部位的受力作用較大，對(duì)刀頭部位的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以提高有限元分析的精度[3]。網(wǎng)格劃分處理后的截齒模型如圖1所示。

圖1 鎬型截齒的網(wǎng)格劃分模型

截齒在工作過(guò)程中受到煤巖的反作用力，在分析過(guò)程中，將刀頭和刀身看作整體，截齒承受集中載荷的作用，主要作用于刀頭的部位。鎬型截齒在工作過(guò)程中，自身完全固定，將截齒的齒身及底面進(jìn)行固定約束，對(duì)刀頭表面的所有節(jié)點(diǎn)施加集中載荷的作用，由此對(duì)截齒的應(yīng)力及變形進(jìn)行分析[4]。

2 鎬型截齒的有限元及失效分析

2.1 鎬型截齒有限元求解及結(jié)果分析

對(duì)所建立的鎬型截齒模型依據(jù)前處理設(shè)定的條件進(jìn)行施加載荷運(yùn)算，完成求解過(guò)程。采用后處理進(jìn)行結(jié)果的查看及檢查，經(jīng)過(guò)運(yùn)算分析得到鎬型截齒的應(yīng)力變化及變形分別如圖2、下頁(yè)圖3所示。

從圖2、圖3中可以看出，截齒所受到的應(yīng)力主要分布在刀頭的位置，最大應(yīng)力發(fā)生在截齒的中間即刀頭的根部位置，最大應(yīng)力值為375 MPa，其余部位的應(yīng)力值較小，在根部位置存在一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象；截齒的最大應(yīng)變?yōu)?.000 781 mm，發(fā)生在刀頭的頂部位置，說(shuō)明在截齒進(jìn)行工作的過(guò)程中，截齒齒尖所發(fā)生的變形最大。

圖2 鎬型截齒應(yīng)力變化分布圖

圖3 鎬型截齒應(yīng)變分布圖

沿鎬型截齒的縱軸對(duì)表面節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力進(jìn)行分析，得到如圖4所示的變化曲線，即為鎬型截齒應(yīng)力相對(duì)Z軸的變化曲線，其中橫軸為距刀身尾部的距離，縱軸為截齒的應(yīng)力值。從圖4中可以看出，截齒的應(yīng)力曲線變化比較顯著，在截齒尾部的應(yīng)力值較小，基本在0值附近呈水平分布，在距截齒尾部約60 mm的位置處，應(yīng)力值迅速增加至最大應(yīng)力值，最終達(dá)到375 MPa，達(dá)到最大值后急劇下降，最大應(yīng)力值發(fā)生在齒身的中部位置，距截齒尾部距離約為80 mm。此處受到集中載荷的作用，存在著應(yīng)力集中，在使用過(guò)程中，極易引發(fā)齒身的折斷，造成截齒的失效[5]。

圖4 截齒應(yīng)力值相對(duì)Z軸的變化曲線

2.2 鎬型截齒的失效分析及改進(jìn)

鎬型截齒作為滾筒截割的刀具，在使用過(guò)程中發(fā)生失效時(shí)，要進(jìn)行更換，以免對(duì)礦井的開采成本及效率造成影響。在實(shí)際使用過(guò)程中，截齒的失效形式主要包括截齒的磨損、刀頭的脫落及崩刃、刀身的彎曲折斷。針對(duì)鎬型截齒的失效形式，應(yīng)采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，提高鎬型截齒的可靠性及使用壽命，避免截齒的大量失效。

在進(jìn)行煤巖的截割時(shí)，截齒承受較高的壓力及沖擊載荷，應(yīng)選擇合理的材料并進(jìn)行一定的熱處理工藝，在保證截齒表面耐磨性的同時(shí)，提高截齒材料的強(qiáng)度及沖擊韌性[6]，并提高刀頭的焊接質(zhì)量，采用韌性較好的焊料，并通過(guò)選配的焊接方式，減小焊接過(guò)程中的間隙，提高刀頭的強(qiáng)度；對(duì)于傳統(tǒng)的焊接方式進(jìn)行改進(jìn)，可采用鑲鑄工藝提高刀頭與截齒齒身的強(qiáng)度，且能夠提高整體的韌性；在使用過(guò)程中，還應(yīng)該依據(jù)截齒的材質(zhì)及結(jié)構(gòu)參數(shù)，合理選擇工作參數(shù)，依據(jù)煤層的分布，合理調(diào)整截齒的角度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)截割比能耗的減小，從而可以減小截齒的磨損失效。

3 結(jié)語(yǔ)

鎬型截齒是采煤機(jī)中廣泛使用的截齒形式，由于截齒作為截割刀具直接作用于煤巖中，在使用過(guò)程中存在著大量的失效更換，造成了采煤作業(yè)成本的增加及效率的降低。針對(duì)鎬型截齒的受力及變形采用ANSYS進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明，在鎬型截齒的齒身中部所受到的應(yīng)力值最大，齒尖位置處發(fā)生的變形最大，容易造成截齒的齒身斷裂及齒尖的磨損失效。針對(duì)截齒的失效形式，提出了一系列的改進(jìn)措施，從而提高截齒的壽命和可靠性。