基于SolidWorks新型59把截齒截割頭研究

摘要：掘進機的截割頭作為關鍵部件，直接影響機器的整體性能。截齒分布、截齒數目等因素對截割效率、截齒的壽命及截割性能影響很大。采用SolidWorks建立截割頭模型并使用仿真對新型59把截齒截割頭的建模以及結構進行有限元分析研究，找出截割頭的應力分布規(guī)律，并不斷改進模型，使其在正常工作狀態(tài)下所受的應力較小，且安全系數較大，滿足材料的強度條件，能夠適應工作要求。新型59把截齒截割頭掘進機具有較強的實用價值，在開發(fā)應用方面具有一定的前景市場，可以有效節(jié)約設計成本和提高設計效率。

關鍵詞：截割頭；截齒；SolidWorks；仿真；有限元分析

中圖分類號：TD421文獻標志碼：A

[WT]文章編號：1672-1098（2012）04-0044-03

作者簡介：唐瓊（1973-），女，湖北麻城人，副教授，碩士，主要從事機械制造及自動化方面的教學與研究工作。

截割頭的工作性能在一定程度上決定了掘進機的整體性能，截割頭的截齒分布、截割深度等因素對截割效率、截齒的壽命及截割性能影響很大。隨著掘進機的功率增大，截割頭的體積增大，截齒數目也有所增大。從現(xiàn)有的掘進機截齒數目來看，三一重工集團生產的EBH200S型號掘進機其截齒數有42把，凱盛公司生產的EBH160型號掘進其機截齒數有35把。

本次設計的新型掘進機截齒總數為59把，齒數較多，與其他型號的掘進機差異較大，對其進行分析和研究是很有必要的。可以為研究掘進機的相關人員提供一定的參考和指導作用。

1截割頭的結構與截齒布置

掘進機的截割頭體外形主要是由幾段不同曲線“球冠+圓錐+圓柱”組成。整體光滑過渡，可避免產生應力集中現(xiàn)象。

截齒為鎬形，截齒通過齒套安裝在齒座上，可自由旋轉。采用SolidWorks繪制的三維實體如圖1所示。

通過SolidWorks繪制的截割頭其截齒分布三維圖如圖2所示。

2截齒受力計算

在掘進機截割頭截割的工作過程當中，掘進機的截割頭是以繞其自身軸線旋轉以及其懸臂的水平擺動產生的復合運動來截割煤巖的。研究表明，掘進機截割頭旋轉一圈時，截齒在參與截割的時間大約只有半周左右，并且在截齒截割的過程當中，通常其切屑厚度也是在不斷變化的（見圖3）。

掘進機截割頭在工作時其中截割頭上的截齒只有一部分處于截割狀態(tài)，大部分處于擺動截割狀態(tài)。因此，對單個截齒在0～π位置時的X向側向阻力、Y向牽引阻力和Z向截割阻力的模擬如圖4所示。

轉速/（r·min-1）

假設掘進機工況較為惡劣，實際工況下，在0～π范圍內掘進機工作的截齒齒數為30個，通過圖4可以看出，工作過程中單個截齒的受力是由切屑厚度來決定的，切屑厚度又和截齒在工作時的截割狀態(tài)位置有關聯(lián)，同時，截齒在π/2處時受到的力最大：其中截割阻力為21.2kN，側向阻力為7.62kN，牽引阻力為11.9kN。其它位置上截齒的受力大小也是通過圖4計算出來的，表1是其中一條螺旋線截齒三個力的大小[1]。

3截割頭有限元分析

3.1PLC定義材料和約束

首先，定義材料：截齒其刀頭的材料為硬質合金鋼YG28，彈性模量 =640GPa、泊松比μ=0.21；截割頭上的齒座和刀桿材料選用高強度合金結構鋼20CrNiMo，其彈性模量 =200GPa、泊松比μ=0.3。頭體材料為鑄鋼ZG230-430，其彈性模量 =206GPa、泊松比μ=0.29。

因為截齒通過齒套安裝在截齒上，且可以360度旋轉，因此需要定義它們的接觸面性質。在定義相接觸面組時，齒套安裝在齒座時，需要借助Simulation管理器中的“接觸/縫隙”，在“接觸類型”選項中，選擇為“結合”，加摩擦系數為0.15。截齒與齒套之間在定義它們之間的相接觸面組時，也需要借助Simulation管理器中的“接觸/縫隙”，在“接觸類型”選項中，選擇為“無穿透”；最后對其進行約束，在截割頭頭體和傳動軸位置進行全約束[2]。

3.2PLC截齒網格劃分載荷施加

網格劃分前首先簡化模型，把不受力的截齒壓縮，這樣可以節(jié)約運算時間，同時還可以節(jié)約計算機資源，更加細化關鍵部位如截齒和齒座。對一些相接處的面也可以細化，比如截齒和齒座的接觸面，這樣結果更加準確。共劃分118872個單元、29689個節(jié)點。

截齒載荷按一般的研究方法分為側向阻力X、牽引阻力Y和截割阻力Z，按前面的計算方法計算出這三個力之后對應施加在截齒上。

3.3求解和結果分析

通過Simulation運算算例得出截割頭的應力和安全系數如圖5。

從圖5中可以看出，整個截割頭的應力均較小，主要的應力集中在截齒尖側面的受壓位置上。頭體應力較小均在100MPa以下，齒座應力均在160MPa以下。最大應力在截齒尖側面，約為192.9MPa，安全系數最小為6.04，滿足設計要求。且通過參閱材料并與其它現(xiàn)有的截割頭受力分析的研究材料相比較，新型設計的59截齒截割頭最大應力相對較小，安全系數較大，整體性能較其它齒數的截割頭更為優(yōu)越[3]。

4結語

通過對新型59把截齒截割頭的建模以及結構有限元分析研究，可以得出其在正常工作狀態(tài)下所受的應力較小，且安全系數較大，滿足材料的強度條件，能夠適應工作要求。同時通過與現(xiàn)有其它齒數的截割頭應力和安全系數對比，可以看出59把截齒更加安全可靠，具有很大的開發(fā)生產價值。

不足點在于齒數較多，制造和安裝難度均比截齒數較少的截割頭大。因此，該產品可以考慮在開采條件惡劣，巖石煤層硬度大的場合應用。總體而言，新型59把截齒截割頭掘進機具有較強的實用價值，在開發(fā)應用方面具有一定的前景市場，能夠為掘進機行業(yè)的開發(fā)研制提供一定的參考價值。

參考文獻：

[1]潘先鋒，張安寧，徐剛.截齒與齒座裝配體的有限元分析[J].煤礦機械，2010（9）：76-78.

[2]江洪.SolidWorks有限元分析實例解析[M].北京：機械業(yè)出版社，2007：8-200.

[3]葉修梓，陳超祥.SolidWorksSimulation基礎教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：35-100.

（責任編輯：李麗，范君）