關麗坤，楊 濤，任學平

(內(nèi)蒙古科技大學 機械工程學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

采煤機螺旋滾筒斜切進刀的瞬間，端盤截齒與煤巖接觸并受到?jīng)_擊，導致截齒破壞、脫落，滾筒載荷發(fā)生突變，影響截割部工作性能及其可靠性。尹力等[1]用離散化算法將單個截齒受力特性疊加，得到滾筒總體在不同方向上的載荷。李強，毛軍等人[2]通過MATLAB研究采煤機在斜切進刀工況下滾筒載荷的變化特性，研究范圍有局限性。兩篇文獻中缺少對單個截齒隨滾筒轉動瞬間截割煤巖的受力情況的研究。侯亮，馮繼玲等人[3]以單個端盤截齒為研究對象，應用離散元模擬截齒在截煤過程中受到的合力。文獻中針對截齒受到的合力進行分析，缺少對不同安裝角度的截齒截割煤巖受三向力的特性研究。從上述文獻可以看出，學者們側重研究滾筒整體載荷特性，而忽略對單個端盤截齒載荷的研究。端盤截齒工作狀態(tài)復雜多變，對其載荷特性的研究尤為重要。

基于以上人員的研究，本文利用ABAQUS仿真軟件分析了在不同安裝角度的截齒截割煤巖時，截齒的載荷特性，為端盤截齒的安裝和設計提供理論依據(jù)。

1 端盤圓周截齒截割煤巖參數(shù)模型的建立

依據(jù)采煤機滾筒型號，配合U94截齒，如圖1所示，圓周切向安裝角β0=50°。如圖2所示[4]，β1為二次旋轉角，β2為軸向傾斜角，選用工況一：β1=2°，β2=6°；工況二：β1=5°，β2=10°；工況三：β1=8°，β2=15° 3種工況的端盤截齒作為研究對象，利用solidworks建立端盤截齒模型，截齒合金頭錐角75°，齒身長166mm，滾筒直徑2000mm。截齒齒尖選用硬質(zhì)合金，齒身和端盤選用具有較高強度和韌性的42CrMo，具體材料參數(shù)見表1。

圖1 圓周切向安裝角

煤巖沉積后具有層理、節(jié)理及非均質(zhì)性等特

圖2 截齒空間角度

材料彈性模量/GPa泊松比齒尖硬質(zhì)合金6500.22齒身、端盤42CrMo2000.30

點，是一種各向異性非勻質(zhì)的脆性材料。為了準確模擬煤壁破碎過程，將采用ABAQUS軟件中混凝土脆性破碎本構模型建立煤巖的物理模型[5]。模擬煤壁脆性破裂模型的參數(shù)見表2。

表2 煤巖脆性破裂模型參數(shù)

2 端盤圓周截齒截割煤巖的有限元仿真

建立簡化的端盤截齒截割煤巖仿真模型，將端盤和截齒約束在同一參考點上設置為剛體研究截齒受到的三向力，根據(jù)實際工況將煤巖設置為四周固定的變形柔性體，施加端盤在X軸方向上的位移和繞Z軸的轉動。滾筒轉速為23r/min，所轉1周的時間為2.64s，為了縮短計算時間，設置端盤轉過1/4周，對應時間為0.33s，端盤牽引速度為2.14mm/s，在X方向的位移為0.7mm。對截齒齒尖與煤巖接觸部位的網(wǎng)格進行精確劃分，齒尖單元9131個，煤壁單元668760個，從而保證瞬時仿真計算的準確性。

截齒截割煤巖屬于碰撞、沖擊的研究范疇，采用面-面，通用接觸(Explicit)來定義截齒與煤巖的接觸。在初始分析步(Initial)和動力顯示分析步(step-1)中分別設置場輸出和歷程輸出以得到煤巖體被切削破壞時的應力，以及截齒所受到的截割載荷。

圖3 截齒截割煤巖應力

如圖3所示，利用ABAQUS可以準確地模擬煤巖的破碎過程并與Evan提出的煤巖破碎機理相符合，截齒以一定速度撞擊煤壁，齒尖楔入煤巖單元中，使單元產(chǎn)生接觸應力，隨著接觸面積增加，應力增大。當接觸應力超過網(wǎng)格之間抗拉強度時，煤巖在截割力作用下破碎崩落，并且隨著截齒軸向傾斜角和二次旋轉角增加，崩落效果增強。

端盤在逆時針轉動過程中截齒所受三向力如圖4所示：x方向的截割阻力，y方向的牽引阻力，z方向的側向阻力。

三向力在截齒截割過程中出現(xiàn)突然增大突然減小的現(xiàn)象，是由于截割過程阻力增大使得煤巖崩落，崩落后截齒與煤巖留有空隙會出現(xiàn)受力突然減小的現(xiàn)象，繼續(xù)與煤巖接觸，截齒受力突然增大，循環(huán)往復與實際工作情況相符合。

3 不同安裝角截割煤巖受力分析

端盤截齒安裝角不僅影響采煤機的破煤效率，而且對滾筒瞬時受力也有很大影響。截齒斜切入煤巖，隨著軸向傾斜角和二次旋轉角逐漸增大，有利于滾筒破煤，但安裝角增大會出現(xiàn)齒柄與煤巖干涉的現(xiàn)象，從而導致截齒工作阻力增大，截齒過度損耗。

圖4 截齒三向力曲線

為了得到截齒不同安裝角截煤時的平均阻力，導出圖4中的曲線odb文件到MATLAB軟件中，從而得到截割煤巖過程中的平均阻力如表3所示。隨著安裝角的增大截齒所受牽引阻力和側向阻力變化平穩(wěn)，沒有明顯的增大趨勢，但截割阻力沒有變緩的趨勢，相反一直在增加。β1=8°，β2=15°的截齒在0.18s截割阻力達到最大27.5kN，載荷波動比其他2種工況劇烈。可以看出安裝角對截割阻力的影響遠超過對牽引阻力和側向阻力的影響。

表3 3種截齒所受平均阻力

4 結 論

采用ABAQUS有限元動態(tài)仿真端盤截齒截割煤巖，可以準確地模擬煤巖破碎崩落的過程，并且ABAQUS模擬煤巖破碎過程與Evan提出的煤巖破碎機理相符合。證明ABAQUS在采煤機械研究領域的模擬仿真具有可行性。

截齒不同的安裝角度對其三向力的影響也是不同的，隨著軸向傾斜角和二次旋轉角的增加，截割阻力顯著增加，牽引阻力和側向阻力相比截割阻力在滿足齒座與煤壁不摩擦的前提下，盡可能減小截齒的軸向安裝角

[參考文獻]

[1]尹 力,梁堅毅,朱真才,等.采煤機螺旋式滾筒截割載荷仿真分析[J].煤炭技術,2010,29(11):3-5.

[2]李 強,毛 君.采煤機斜切進刀工況下截割阻力特性研究[J].機械設計,2017,34(11):98-104.

[3]侯 亮,馮繼玲,王義亮,等.采煤機截齒安裝角度對其受力的影響研究[J].煤炭技術,2017,36(4)：277-279.

[4] 劉春生，于信偉，任昌玉.滾筒式采煤機工作機構[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2010.

[5] 戴珊珊.基于ABAQUS模擬鎬形截齒截割脆性煤巖[J].煤礦機械,2012,33(5):46-48.