圓盤刀具在煤礦掘進機頂部的應力變形狀態研究

王 杰

（山西新景礦煤業有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

作為全世界煤炭的主要生產國家之一，隨著經濟社會的發展，煤礦企業的裝置正在逐步地實現機械化、智能化作業，其中煤礦機械化的主要裝置是掘進機。掘進機性能的穩定性關系到煤炭物料的生產效益。在煤礦中使用的掘進機類型中，懸臂式掘進機應用最為廣泛，在惡劣的煤礦環境中具有很好的適應性。但是針對掘進機的開采部位設計亟待進一步優化，懸臂式掘進機通過不同的刀盤工具的布置和改進，以實現大型煤層和硬巖的破壞[1]。不同截割工具的組成會對煤層產生不同的切削效果，同樣也會解決部件的破壞失效情況。位于掘進機頂部的圓盤工具實現了掘進機工作體反向運動的可能性，包括懸臂式掘進機增加了其在異質、堅硬和磨蝕性巖石破壞中的應用范圍。本文開展懸臂式掘進機圓盤刀具的優化分析和工程研究，可以對懸臂式掘進機的開采路徑、開采時間等關鍵參數設計進行有效的指引，在工程實踐中得出懸臂式掘進機開采工況的最優解。

1 圓盤形刀具的使用背景

掘進機頂面圓盤的刀具是開發用于機械破壞硬度系數≤10 的煤和強磨蝕性巖石的高效工具，是煤炭-巖石切削工具的一個前景方向。

原有的工程試驗測試了4 種掘進機的頂面圓盤的刀具設計選擇性方向，其特點是刀具和工具的數量、安裝方式、螺旋線造型、節緊固盤的設計、端部的切割部分和負載刀片等相關參數均不相同。

在具有硬夾雜物和抗壓層（破壞強度在87～112 MPa 之間）的礦脈和煤脈上進行的煤礦測試方法和條件將嚴格按照程序進行[2]，測試分兩個階段，第一階段包括掘進機的研究，配備常規造型的刀具截割頭，第二階段包括實驗截割頭，配備圓盤刀具。

在比較研究的過程中，其工作性能由掘進機的驅動力和輸出功率以及工具的具體消耗決定。

檢測機構實驗樣品的巖石切割工具的設計和布置方案如圖1 所示。

圖1 三種掘進機截割頭的應用造型

2 截割頭圓盤刀具結構及有限元分析

2.1 結構分析

結合工程情況，采用第一種類型的截割頭（見圖1-1）更為合理，該截割頭的圓盤刀頭使用固定螺栓連接（見下頁圖2）。雙座結緊固由兩個支架組成，其中軸采用法蘭固定錐形圓盤工具。從軸的軸向位移固定墊圈，螺栓和彈簧墊圈是固定組合，從轉動軸固定法蘭盤。在圖2 中，顯示了由兩個支架和組成的雙座結緊固件，其中軸是帶有遠程環的固定雙錐形圓盤工具。為了固定右支架，內部的軸線是一個鎖定環和橡膠墊片，并且在左支架中設計了一個凹槽。

圖2 圓盤刀具結構設計

2.2 有限元分析

為了獲得比較真實的數據，需要描述截割頭變速器和電機的加載程度，測量了電機功耗、截割頭的進料速度和液壓系統的壓力，以間接評估圓盤刀具的工作性能。有限元分析法是目前研究煤面破壞過程中應力變形狀態的有效方法之一[3]。在有限元建模研究的第一階段，使用圓盤工具（見下頁圖3）進行了雙座節緊固并建立有限元模型[4]，以確定被破壞刀具的應力狀態參數?？紤]了4 種不同的結構圓盤工具直徑D=160 mm（三個雙錐角φ=φ1+φ2=25°+5°=30°；φ=φ1+φ2=20°+10°=30°；φ=φ1+φ2=15°+15°=30°和一個錐形角φ=30°）。

圖3 雙座結固定刀盤的有限元模型

3 有限元分析計算

3.1 參數設置

當創建一個網格時，使用SOLID45 四面體形式存在的有限元網格進行計算[5]。選擇有限元SOLID45單元是為了進一步增加網格的密度而不會對計算結果產生物質影響。詳細材料信息可以參考Q235。在描述雙座結固定刀盤組件中細節之間的相互作用條件時，使用了接觸條件“無滲透”。為了模擬出雙座結固定刀盤在計算中應用邊界條件“固定”的效果，將附著在支架底緣設置為無反射邊界條件[6]。

通過計算，確定了對圓盤刀具的設計，將三個方向上的Pz、Py、Px的估計加載工作量附加到有限元模型（圖3）上，其中生成了雙圓錐和圓錐型圓盤刀具的應力變形狀態圖（圖4）。

圖4 雙座結緊固圓盤刀具等效應力（Pa）分布示意圖

3.2 結果分析

通過仿真計算分析發現，在圓盤刀具軸承間隙之間產生徑向分割，使得固定圓盤工具產品的破壞物黏附在截割頭的工作表面和截齒上，降低巖體的破壞和加載效率。

在ANSYS 仿真計算過程中，在每個截割頭中都被設計為雙錐形和圓錐形的圓盤工具。在建立有限元模型和加載Pz、Py、Px的力計算中，設計策略類似于圓盤刀具的雙座結緊固。以圖5 為例，顯示出了截割頭三面體棱柱中雙向圓盤刀具直徑D=160 mm 的Mises準則的等效應力分布，將圓盤刀具固定在截割頭表面每一處需要接觸煤巖的位置。

根據有限元計算結果，圖5-1 的最大等效應力為115.8 MPa；圖5-2 的最大等效應力為110.1 MPa；圖5-3 的最大等效應力為110.2 MPa。雖然圖5-3 方案的最大等效應力不是最小，但是其圓盤刀具根部沒有出現應力集中現象，考慮到煤面破壞時應力變形狀態的建模結果，將該設計的圖5-3 方案推薦用于實際煤礦開采工程中。

圖5 三種方案的等效應力（Pa）分布示意圖

4 結語

根據分析結果可知，經過優化后節點緊固刀具盤的徑向Mises 等效應力顯著降低了49 MPa。隨著對稱雙錐盤工具從不對稱的過渡，可以監測減少區域設置等效應力在雙座結緊固隨著最大應力的普遍增加，在一定范圍內呈現出50～120 MPa 的強度增加。結果表明，圓盤刀具錐形（φ=30°）和雙錐形（φ=25°+5°=30°）比雙錐形（φ=20°+10°=30°和φ=15°+15°=30°）更能減小井下煤巖的最大等效應力和位移區域的尺寸，研究分析結果指向了圖5 中第三種圓盤刀具的選擇方案，與第二種方案相比，其特點具備剛性更高的固定螺母并不會出現應力集中現象。同時滿足具有兩個反向自由度結構的要求，提出了利用三面體中的結緊固刀盤工具的技術。本文解決了掘進機刀盤布置應用決策復雜性和應力變形狀態建模難度，研究結果可以擴展掘進機的應用領域，滿足國內外煤礦企業的生產使用要求。