截齒安裝約束的動力學(xué)性能研究

孫增樂

（晉能控股集團馬道頭煤業(yè)有限公司， 山西 大同 037000）

0 引言

掘進機為煤礦綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其對于工作面巷道的掘進具有重要意義。掘進機截割部為與煤層或巖層直接接觸的部件，由于煤層巖層條件不均勻?qū)е缕渌惺艿妮d荷處于動態(tài)變化狀態(tài)。截齒為與煤層與巖層直接接觸的零件，不同角度安裝的截割反饋至截割部甚至到整機的應(yīng)力是不同的。在實際生產(chǎn)中，需要對截齒進行合理安裝，以避免截割部振動嚴(yán)重，進而傳遞至整機影響截割效率或其他零部件的使用壽命。本文將以掘進機截齒為研究對象，重點對安裝約束對掘進機動力學(xué)性能的影響進行仿真分析[1-3]。

1 掘進機截齒模型的建立及仿真條件設(shè)置

截齒為與煤層或巖層直接接觸的部件，截齒安裝角度、材料屬性等參數(shù)對于整機設(shè)備最終的破碎能力、生產(chǎn)效率等指標(biāo)非常關(guān)鍵；其也是掘進機設(shè)計的關(guān)鍵[4-6]。從某種意義上講，提升掘進機截齒的綜合性能對于提升整機的截割性能具有主導(dǎo)作用。

1.1 截齒模型的建立

本文的核心研究對象為掘進機的截齒。首先基于CAD 軟件建立掘進機截齒的三維模型，并將模型導(dǎo)入至最終的ANSYS 數(shù)值模擬分析軟件。結(jié)合掘進機的實際截割工況，將其所截割的煤巖層視為立方體；而且截齒與煤巖體呈現(xiàn)45°角接觸實現(xiàn)對煤巖層的截割。本文所研究的重點對截齒不同底座約束對掘進機截齒動力學(xué)的影響。因此，將截齒的底座簡化為圓柱形的孔與橢圓形孔的組合呈現(xiàn)對截齒不同的安裝約束。

截齒的材料屬性也是影響掘進機截割部最終截割性能的關(guān)鍵因素。在數(shù)值模擬仿真中還需對截割部底座、煤巖層等材料的屬性進行設(shè)置。數(shù)值模擬仿真模型中各類材料模型參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 數(shù)值模擬仿真模型材料屬性參數(shù)設(shè)置

綜合兼顧仿真計算的精度和計算量，對上述所建立的數(shù)值模擬仿真模型進行合理的網(wǎng)格劃分，得到掘進機截齒的數(shù)值模擬有限元仿真模型，如圖1 所示。

圖1 掘進機截齒數(shù)值模擬仿真模型

本文研究的重點為不同安裝約束下截齒的動力學(xué)性能，所建立的不同約束截齒的有限元模型如圖2所示。

圖2 不同安裝約束下截齒截割煤巖層的動力學(xué)仿真模型

1.2 截齒載荷模型的建立

掘進機截齒在實際截割過程中，截齒所承受的載荷導(dǎo)致其在位移、溫度以及受力均呈現(xiàn)不同的變化趨勢。根據(jù)掘進機實際截割過程中的載荷情況完成圖2中模型的邊界條件設(shè)置是保證準(zhǔn)確仿真的基礎(chǔ)[7]。

掘進機截齒在實際截割過程中其運動可視截割部的旋轉(zhuǎn)和截齒自轉(zhuǎn)的合成運動，為截齒設(shè)置的載荷如下：對截齒的刀桿尾部施加在YZ 方向的位移約束，并給予其在X 方向的全自由度；針對X 方向為截齒施加相應(yīng)的速度沖擊約束。

2 截齒安裝約束對掘進機整機的動力學(xué)性能影響

掘進機截齒對煤巖層進行截割時，由于其所承受的載荷處于動態(tài)變化狀態(tài)，對應(yīng)截齒的失效形式也不同。其中，在實際截割過程中由于截齒安裝不牢固或者固定截齒裝置出現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨損等問題，從而導(dǎo)致截齒從底座松動甚至?xí)撀鋪G失等。本文在上述模型建立的基礎(chǔ)上，對掘進機截齒的沖擊過程進行數(shù)值模擬仿真分析。

2.1 截齒的等效應(yīng)力仿真結(jié)果

對掘進機截齒截割煤巖層的工況，即截齒受到煤巖層沖擊不同時刻的應(yīng)力情況進行仿真分析，具體分析的時刻點包括受到?jīng)_擊后的0.3 ms、0.4 ms、0.5 ms和0.6 ms 的應(yīng)力變化進行仿真分析。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 截齒在不同受到?jīng)_擊時刻的應(yīng)力效應(yīng)圖

如圖3 所示，左側(cè)圖中截齒的約束為圓柱孔；右側(cè)圖中截齒的約束為橢圓孔。分析可知：隨著截齒受力沖擊時間的增加，對應(yīng)截齒所受到的應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；其中，截割頭部頂端的受力相似；而刀桿尾部的應(yīng)力效應(yīng)變化幅度較大，而且距離截齒截割頭的距離越遠，其所承受的彎曲應(yīng)力越大，最直接的表現(xiàn)形式為刀桿尾部被折斷[8-9]。

總的來講，截齒橢圓安裝孔對應(yīng)其所承受的應(yīng)力大于圓柱安裝孔所承受的應(yīng)力；而且隨著沖擊時間的增加，對應(yīng)截齒和刀桿尾部所承受的應(yīng)力效應(yīng)范圍增加[10]。因此，為了避免截齒脫落或松動的問題，需要采取合理有效的手段避免解決刀桿尾部受力較大的沖擊。

2.2 截齒應(yīng)變仿真結(jié)果

對掘進機截齒截割煤巖層的工況，即截齒受到煤巖層沖擊不同時刻的應(yīng)變情況進行仿真分析，具體分析的時刻點包括受到?jīng)_擊后的0.3 ms、0.4 ms、0.5 ms和0.6 ms 的位移變化進行仿真分析。仿真結(jié)果如圖4所示：

圖4 截齒在不同沖擊時間下位移變化仿真結(jié)果

如圖4 所示，左側(cè)為圓柱安裝孔約束下截齒的位移變化；右側(cè)為橢圓安裝孔約束下的位移變化。分析可知：在不同沖擊時刻下，截齒頭部的應(yīng)變呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；而對于圓柱孔約束的截齒而言，刀桿尾部的變形呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢；對于橢圓孔約束的截割而言，刀桿尾部的變現(xiàn)呈現(xiàn)一直增加的變化趨勢，且應(yīng)變始終大于圓形孔約束安裝方式下的應(yīng)變。

3 結(jié)論

掘進機為煤礦綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，其主要任務(wù)是完成巷道的掘進任務(wù)。從某種程度上講，掘進機截割頭尤其是截齒的性能對于整機截割的安全性和生產(chǎn)效率的影響較大。因此，設(shè)計性能最佳的截齒，包括截齒的材料選型以及安裝的約束方式尤為重要。本文基于ANSYS 數(shù)值模擬仿真軟件對截割不同安裝約束下的應(yīng)力和應(yīng)變情況進行仿真分析，并總結(jié)如下：

1）截齒橢圓安裝孔對應(yīng)其所承受的應(yīng)力大于圓柱安裝孔所承受的應(yīng)力；而且隨著沖擊時間地增加，對應(yīng)截齒和刀桿尾部所應(yīng)力效應(yīng)范圍增加。橢圓孔約束的截割而言，刀桿尾部的變化呈現(xiàn)一直增加的變化趨勢，且應(yīng)變始終大于圓形孔約束安裝方式下的應(yīng)變。

2）為解決截齒脫落或松動的問題，應(yīng)盡可能減小截齒本身的應(yīng)變和應(yīng)力值，即采用圓形孔約束方式為適宜。