采煤機截割煤巖石的數(shù)值模擬研究

郝 偉

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦生產(chǎn)調(diào)度指揮中心， 山西 古交 030200）

0 引言

采煤機為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，鑒于煤礦綜采工作面相對復雜的生產(chǎn)條件及其所承受的加大載荷導致采煤機零部件極易發(fā)生損壞且失效。截齒作為與煤巖層直接接觸的部件，其性能直接決定了采煤效率、生產(chǎn)成本以及人員的勞動強度[1]。刀型和鎬型為兩種常見的截齒類型，而目前對于更適用于實際生產(chǎn)工況的鎬型截齒的研究較少。針對影響鎬型截齒性能研究需要依靠大量的試驗進行，消耗很多時間和成本。基于此，將采用計算機分析軟件對采煤機鎬型截齒截割煤巖石數(shù)值模擬展開研究，為優(yōu)化鎬型截齒的性能奠定基礎(chǔ)。

1 截齒截割煤巖石模型建立

在實際生產(chǎn)中，采煤機截割部截割煤巖層時經(jīng)歷變形、微裂紋產(chǎn)生、壓實核產(chǎn)生、裂紋擴展破裂四個階段。采煤機截割部截齒在實際生產(chǎn)中處于相對惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，且一直承受著交變載荷，導致截齒與煤層直接接觸的部件容易產(chǎn)生磨損或者失效，主要表現(xiàn)為磨粒磨損、疲勞磨損、硬質(zhì)合金頭脫落和齒體完全折斷等形式。結(jié)合實踐生產(chǎn)和理論研究的基礎(chǔ)，影響采煤機截割部截齒截割性能的因素包括截割速度、截割深度、截割角度、截槽形狀和截齒磨鈍等[2]。

1.1 截齒模型的建立

本文所研究截齒由齒體和合金頭采用釬焊的工藝完成。因此，截齒模型建立時需要分別建立合金頭和齒體的模型。為了簡化計算過程，需要對模型中的圓角和倒角進行忽略處理。鎬型截齒的長度為160 mm，合金頭的直徑為25 mm，齒尖錐角為80°，齒體的直徑為38 mm，合金頭與齒體連接大端面的直徑為65 mm，鎬型合金頭和齒體的相關(guān)材料屬性如表1所示。

表1 鎬型截齒合金頭和齒體材料屬性

1.2 煤巖模型的建立

為真實反映截割煤巖層時截齒的性能，在對實際煤巖層屬性檢測的基礎(chǔ)上，在仿真模型中對煤巖層模型的參數(shù)進行設(shè)置，如表2 所示。

表2 煤巖層材料屬性

本文所建立的煤巖層模型的尺寸為400 mm×150 mm×150 mm。

將分別建立的截齒和煤巖層裝配為數(shù)值模擬模型，設(shè)定的截割深度為20 mm，將截齒與煤巖層的法線方向設(shè)定為45°。

2 截齒截割煤巖層的性能數(shù)值模擬研究

截割速度、截割深度、截割角度為影響截齒性能的主要因素[3]。因此，本節(jié)重點對上述三個因素影響截齒性能數(shù)值模擬展開研究。從理論上講，當截割速度在2 m/s 時對應(yīng)所承受截割阻力最小，因此研究的截割速度為1.5 m/s、2 m/s 和2.5 m/s 下的性能進行對比；當截割深度為5～20 mm 時，截齒截割煤巖層時的截割阻力和截割比能耗均較小，因此研究截割深度為10 mm、15 mm 和20 mm 下的截齒性能進行對比；當截割角度在40°～50°的范圍之內(nèi)，截齒所承受的截割阻力值最小，因此研究截割角度為35°、45°和55°下的截齒性能進行對比。

2.1 截割角度、截割深度與截齒應(yīng)力場的關(guān)系

截割角度和截割深度兩項因素對截割應(yīng)力場影響比截割速度對截割應(yīng)力場的影響顯著。針對截齒應(yīng)力場的分析，重點確定截割角度和截割深度的最佳匹配值，將截割速度設(shè)定為2 m/s。經(jīng)仿真分析，得出不同截割角度和截割深度的應(yīng)力均值如表3 所示。

表3 截割角度和截割深度對應(yīng)截齒的應(yīng)力均值

分析表3 中的數(shù)據(jù)可知，當截割角度一定時，隨著截割深度的增加截齒所承受的應(yīng)力均值增加；當截割深度達到一定時，隨著截割角度的增加，截齒所承受的應(yīng)力均值呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。當截割角度為45°時，與35°和55°的截割角度相比對應(yīng)的截割應(yīng)力最小[4]。因此，在實際生產(chǎn)中基于截割角度45°的情況對截齒安裝角度進行安裝，并根據(jù)生產(chǎn)情況對截割深度和截割速度進行調(diào)整。以截齒應(yīng)力場為目標，最佳組合如下：截割角度為45°，截割深度為10 mm，截割速度為2 m/s。

2.2 截齒截割煤巖的熱應(yīng)力分析

在上述動力學模型的基礎(chǔ)上，增加硬質(zhì)合金頭、齒體以及煤巖層材料的熱性能參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 數(shù)值模擬模型各部分熱性能參數(shù)

以截割深度為例，研究截割深度對截齒截割煤巖層時的溫度場進行對比。設(shè)定截齒的錐角為80°，截割角度為45°，截割速度為2 m/s，對截割深度為10 mm、15 mm 和20 mm 對應(yīng)截齒的溫度場進行數(shù)值模擬，仿真結(jié)果如圖1 所示。

如圖1 所示，隨著截割深度的增加，對應(yīng)截齒截割煤巖石的溫度越高，當溫度達到一定值后截齒溫度不再升高。

同理，得出當截割深度和截割角度一定時，隨著截割速度的升高對應(yīng)截齒的溫度也升高，當溫度到達一定值后升高溫度和散熱量達到平衡并保持穩(wěn)定狀態(tài)[5]；當截割深度和截割速度一定時，截割角度對截齒溫度場的影響如圖2 所示。

圖2 截割角度對截割溫度場的影響

如圖2 所示，在其他參數(shù)一定的條件下，當截割角度為45°時對應(yīng)截齒截割煤層時的溫度最小，且當溫度達到一定值后由于溫度升高和散熱達到的平衡狀態(tài)保持穩(wěn)定。

從截齒溫度場為目標，當截割角度為45°時，對應(yīng)截齒的溫度最小；而截割深度和截割速度從理論上講，在滿足生產(chǎn)效率的情況下應(yīng)盡可能的小，以保證截齒的溫度最小。

3 結(jié)語

采煤機為煤礦生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，采煤機的生產(chǎn)能力和效率直接決定了工作面的生產(chǎn)能力；截齒作為與煤巖層直接接觸的部件，其性能直接決定采煤機的性能。對于實際生產(chǎn)中截齒的截割速度、截割深度以及截割角度等均是影響采煤機性能的關(guān)鍵因素。本文基于計算機分析軟件對采煤機截割煤巖展開數(shù)值模擬研究，為確定采煤機的最佳截割參數(shù)奠定基礎(chǔ)。以采煤機截齒應(yīng)力場和溫度場兩項考核指標，分別得出：在保證綜采工作面生產(chǎn)能力和效率的基礎(chǔ)上，截割角度為45°且截割深度和截割速度盡可能的小時對應(yīng)的截齒的性能越好，其可靠性和使用壽命越好。