高 源

（山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)華陽(yáng)煤業(yè)有限公司，山西晉城 048012）

0 引言

在礦山開(kāi)采工作中，采煤機(jī)是極其重要的重型設(shè)備之一，主要作用是實(shí)現(xiàn)煤層的裝煤及落煤程序，這就要求核心部件的截齒必須具備穩(wěn)定性較強(qiáng)的截割性能，只有這樣才可以使采煤機(jī)持續(xù)穩(wěn)定地運(yùn)行，提高開(kāi)采效率。由于采煤機(jī)經(jīng)常在較差的環(huán)境中運(yùn)行，因此截齒會(huì)出現(xiàn)各種故障問(wèn)題。本文針對(duì)刀頭脫落、磨鈍及未磨鈍3種工作狀況，分別對(duì)截齒的受力進(jìn)行分析，并對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行校準(zhǔn)。

1 采煤機(jī)截齒運(yùn)行機(jī)理

在該設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，隨著滾筒的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，截齒在與煤壁接觸后會(huì)形成瞬間沖擊，截齒的齒尖會(huì)扎進(jìn)煤層深處，并與煤壁之間形成一定角度的切割。當(dāng)煤體受到較大的沖擊力，且大于自身所具有的抗壓性之后，將會(huì)根據(jù)剪切面的走向而發(fā)生裂痕，從而產(chǎn)生粉碎脫落現(xiàn)象。同時(shí)，煤體附近煤巖體所具有的抗壓強(qiáng)度也會(huì)降低，截齒刀頭在開(kāi)始另一個(gè)循環(huán)時(shí)，截齒的受力將會(huì)不斷降低[1]。

圖1 采煤機(jī)截齒破煤機(jī)理圖

隨著滾筒的不斷轉(zhuǎn)動(dòng)和進(jìn)給作業(yè)的深入進(jìn)行，截齒將會(huì)持續(xù)對(duì)煤巖體造成沖擊，因此煤層的粉碎作業(yè)將會(huì)進(jìn)入周期性循環(huán)，如圖1所示。

2 采煤機(jī)截齒受力狀況

在開(kāi)展切割作業(yè)過(guò)程中，煤巖會(huì)產(chǎn)生一定的阻力，截齒則可以利用這種阻力來(lái)粉碎煤體，同時(shí)其中存在的擠壓力將會(huì)對(duì)截齒造成一定的破壞。由于滾筒是利用轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)切割煤壁，而截齒所承受的載荷為空間交變式，并且井下存在較多不可控的因素，截齒持續(xù)受到損壞，這些都會(huì)影響截齒的正常工作。因此，對(duì)3種工況下截齒存在的受力狀況進(jìn)行分析，如圖2所示，其作用部位大多位于刀頭刃面的中心點(diǎn)[2]。

2.1 刀頭未磨鈍

式中：A為截割阻抗，N/m；h為截割厚度，m；bp為截齒計(jì)算的寬度，m。

圖2 采煤機(jī)截齒的受力圖

根據(jù)式（1）～（3），與鎬形截齒實(shí)際工況下的各個(gè)變量參數(shù)相結(jié)合，可得出FZ、FY和FX的數(shù)值分別為1 100 N、550 N和220 N。

2.2 截割刀頭磨鈍

截齒刀頭出現(xiàn)磨鈍之后，在截煤時(shí)主要存在截割阻力FZ0和推進(jìn)阻力FY0，計(jì)算式如下：

式中：f′為阻力系數(shù)；δy為單軸的抗壓強(qiáng)度，MPa；Sd為受損面積，m2；k′y為接觸應(yīng)力/單向抗壓強(qiáng)度的平均值，通常處于0.8～1.5之間；FZ為未磨鈍之前截齒存在的截割阻力，N；FY為未磨鈍之前截齒出現(xiàn)的推進(jìn)阻力，N。

由式（4）～（5）可以算出，與鎬形截齒出現(xiàn)磨鈍之后的各個(gè)參數(shù)相結(jié)合，得出FZ和FY的數(shù)值分別為2 900 N和595 N。

2.3 刀頭脫落

在出現(xiàn)脫落狀況之后，齒體將會(huì)與煤體出現(xiàn)撞擊，導(dǎo)致FZ和FY持續(xù)上升，截齒的受力也會(huì)轉(zhuǎn)移到齒座的邊緣部位。通過(guò)分析可知，與正常工況下的FZ相比，F(xiàn)Z1是其4～5倍；與FY相比，F(xiàn)Y1是其5～8倍[3]。因此，F(xiàn)Z1和FY1的數(shù)值分別為4 400和3 000 N。

3 各個(gè)工況下的截齒強(qiáng)度分析

3.1 構(gòu)建有效的截割模型

3.1.1 三維模型和網(wǎng)格劃分

在Solidworks中建立起有效的截齒模型，利用相應(yīng)的文件導(dǎo)入ABAQUS，運(yùn)用C3D10處理齒尖。在這3種工況下，齒體的間距、網(wǎng)格數(shù)量等如表1所示；截齒模型如圖3所示。

2.3 初產(chǎn)婦、經(jīng)產(chǎn)婦妊娠期不同類(lèi)型的UI構(gòu)成比情況 經(jīng)卡方檢驗(yàn)，初產(chǎn)婦、經(jīng)產(chǎn)婦妊娠期不同類(lèi)型UI構(gòu)成比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001）。其中，初產(chǎn)婦與經(jīng)產(chǎn)婦妊娠期SUI的患病率差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.001），經(jīng)產(chǎn)婦和初產(chǎn)婦UUI、MUI、OUI患病率，差異均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＞0.05），見(jiàn)表1。

表1 采煤機(jī)截齒網(wǎng)絡(luò)劃分參數(shù)表

圖3 截齒模型

3.1.2 材料參數(shù)

采煤機(jī)滾筒的端盤(pán)與截齒的齒體均運(yùn)用42CrMo鋼，該材料具備較高的強(qiáng)度，刀頭所使用的材料為鎢鈷類(lèi)合金鋼，其具備較強(qiáng)的耐磨性，各個(gè)材料的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 采煤機(jī)截齒材料參數(shù)表

3.1.3 邊界條件和加載

對(duì)于鎬形截齒，可以基于實(shí)際的工況來(lái)控制其中的齒座及刀頭，并在齒柄中的圓柱斷面上設(shè)置固定約束。在這3種工況下，截齒所受到的載荷為：刀頭未磨鈍時(shí)，F(xiàn)Z、FY分別與X軸、Y軸形成53.5h和-53.5h的夾角，這兩者分別在前、后刃面的中心部位來(lái)發(fā)揮作用；FX與截齒的軸線之間形成90°的夾角，主要在側(cè)刃面的中心部位產(chǎn)生作用[4]。當(dāng)達(dá)到3 mm的磨鈍之后，F(xiàn)Z0、FY分別與X軸、Y軸形成35h和-35h的夾角，兩者的作用部位分別處于前刃面和后刃面的中心部位。

處于刀頭脫落的工況下，在開(kāi)展截割作業(yè)過(guò)程中，齒座將會(huì)與煤體發(fā)生接觸，此時(shí)FZ1和FY1將會(huì)持續(xù)提升，兩種阻力分別在Y軸和X軸產(chǎn)生作用，作用發(fā)生部位在刀頭與齒座的交接處[5]。

3.2 結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)上述3種工況下截齒的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬研究，得到了截齒等效應(yīng)力及位移變形的散布圖。在刀頭沒(méi)有發(fā)生磨鈍之前，其產(chǎn)生的變形量最大可達(dá)到0.017 mm，主要位于刀頭與齒座相交匯的部位；等效應(yīng)力的最大值為83.80 MPa，齒座及齒柄的接合部位存在應(yīng)力集中[6]。

當(dāng)?shù)额^出現(xiàn)3 mm的磨鈍時(shí)，變形的最大值為0.039 mm，其所處部位在齒座與刀頭的交接點(diǎn)；等效應(yīng)力的最大值在提升到218.8 MPa之后，與磨鈍之前相對(duì)比，其所受應(yīng)力也會(huì)持續(xù)增加，所處部位在齒座與齒柄的交接點(diǎn)。

當(dāng)?shù)额^發(fā)生脫落之后，其變形的最大值為0.018 mm，與3 mm磨鈍狀況下變形量的最大值相比呈降低趨勢(shì)；最大等效應(yīng)力為374.6 MPa，所處部位也移動(dòng)到刀頭與齒座的交接點(diǎn)，同時(shí)與未磨鈍之前相比較，其所受的應(yīng)力不斷增加，而齒柄與齒座交匯處所形成的等效應(yīng)力處于124.9～156.1 MPa[7]。

根據(jù)材料力學(xué)可知，齒體所使用的材料為42CrMo鋼，其具有450 MPa的極限屈服數(shù)值，而安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)基于實(shí)際的工況來(lái)進(jìn)行明確，一般為1.5，因此齒體受到300 MPa的許用應(yīng)力。通過(guò)分析可知，在這3種工況下，截齒所受到的等效應(yīng)力分別為83.8 MPa、218.8 MPa和374.6 MPa。因此，在刀頭脫落的狀況下，齒座會(huì)受到較大的等效應(yīng)力，而在等效應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，該部位將會(huì)出現(xiàn)斷裂問(wèn)題，齒座與齒柄的接合部位產(chǎn)生彎曲變形。這與截齒的失效方式相吻合，如圖4所示，這也間接表明了本文所運(yùn)用仿真模型的精確性。

因此，當(dāng)采煤機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，一旦滾筒出現(xiàn)異常狀況，很大可能就是因?yàn)榈额^出現(xiàn)脫落，此時(shí)應(yīng)當(dāng)更換截齒，以避免其他部位受到影響[8]。

圖4 采煤機(jī)截齒失效圖

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）在刀頭脫落的狀況下，齒座所受到的等效應(yīng)力最大值將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出該材料自身所具備的許用應(yīng)力，這時(shí)滾筒將會(huì)出現(xiàn)故障，應(yīng)當(dāng)及時(shí)維修或替換截齒，避免其他部位受到影響。

（2）對(duì)于截齒的研發(fā)、制作及應(yīng)用，本研究所取得的結(jié)果可以為其提供有效依據(jù)，從而提高截齒的使用時(shí)間和工作的穩(wěn)定性。