基于Nastran的采煤機(jī)截齒疲勞壽命分析及優(yōu)化

張喜平

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 古交 030203）

引言

目前，具有高度自動(dòng)化程度的采煤機(jī)不斷被應(yīng)用于井下綜采工作面，極大地提升了煤礦井下的綜采效率。采煤機(jī)通過執(zhí)行電機(jī)帶動(dòng)截割機(jī)構(gòu)上的滾筒以一定的速度旋轉(zhuǎn)，利用分布在截割滾筒上的截齒切入到煤壁中，隨著滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)煤壁產(chǎn)生一定的擠壓作用，將煤炭從煤壁上切割下來，完成落煤任務(wù)[1]。在切割的過程中煤壁對(duì)截齒產(chǎn)生無規(guī)則的交變應(yīng)力作用，造成截齒的受力破壞，嚴(yán)重影響了井下綜采作業(yè)的效率，因此需要對(duì)影響采煤機(jī)截齒使用壽命的因素進(jìn)行分析，探索提高采煤機(jī)截齒工作時(shí)受力和使用壽命的措施。

1 截割機(jī)構(gòu)截齒安裝角與截齒受力分析

截齒在截割滾筒上的安裝角為截齒端部與截割滾筒中心的連線和截齒軸線的夾角，為確保落煤時(shí)的可靠性，需確保作用在截齒上的截割阻力在截齒的錐角范圍內(nèi)。

采煤機(jī)截割滾筒截齒在執(zhí)行落煤任務(wù)時(shí)，煤壁作用在截齒上的截割阻力可表示為[2]：

式中：bp為截齒平均寬度；θ為截齒錐體錐角；β為截齒在滾筒上的安裝角；A為截割過程作用在截齒上的截割阻抗；h為截齒切入煤壁的深度。

2 采煤機(jī)截割煤壁三維仿真模型的建立

利用Creo三維建模軟件建立采煤機(jī)截割滾筒截割煤壁時(shí)的三維模型，將其導(dǎo)入到Ansys仿真分析軟件中，分別對(duì)截齒安裝角度為35°、40°、45°和50°情況下作用在截齒上的截割阻力進(jìn)行仿真分析，為確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)實(shí)際測(cè)量的煤壁狀況，設(shè)置煤壁模型的密度為1 500 kg/m3，煤層對(duì)截齒的剪切彈性模量設(shè)置為290 MPa，采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)的牽引速度為0.12 m/min，截齒與煤壁的接觸剛度為0.01，截割滾筒截割作業(yè)時(shí)的運(yùn)行速度為40 r/min，設(shè)置仿真分析的時(shí)間為10 s，采煤機(jī)截割煤壁時(shí)的三維模型如圖1所示。

圖1 采煤機(jī)截割煤壁三維模型

3 不同安裝角情況下截齒截割阻力的仿真分析

利用Ansys仿真分析軟件對(duì)采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)切割煤壁時(shí)作用在截齒上的截割阻力進(jìn)行仿真分析[3]，分析結(jié)果如下頁圖2所示。

將仿真分析結(jié)果帶入Matlab中，利用其數(shù)值模擬計(jì)算程序?qū)Ψ抡娣治鼋Y(jié)果進(jìn)行求解，結(jié)果如下頁表1所示。

由仿真分析結(jié)果可知，截割機(jī)構(gòu)的截齒安裝角度在40°時(shí)的平均截割阻力最小，當(dāng)截齒安裝角在45°時(shí)的最大截割阻力最小，當(dāng)截齒安裝角過小時(shí)導(dǎo)致截齒每次切入煤壁的深度較小，在截割過程中作用在截齒上的單位面積截割阻力增加。當(dāng)截齒安裝角度過大時(shí)，導(dǎo)致切割煤壁時(shí)截齒下側(cè)與煤壁接觸面積過大增加了煤壁作用在截齒上的作用力導(dǎo)致。

采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)在將煤炭從煤壁上切割下來的瞬間會(huì)產(chǎn)生煤層的崩落效應(yīng)，導(dǎo)致作用在截齒上的截割阻力瞬間降低。從表1分析可知，在工作時(shí)煤壁作用在截齒上的截割阻力并不是隨著按照角度的增加而呈規(guī)律性的增加或者減小。在相同條件下安裝角為45°時(shí)作用在截齒上的截割阻力的峰值最小，在截割過程中的截割阻力的波動(dòng)也相對(duì)平緩。

圖2 不同安裝角情況下的截割阻力

表1 不同安裝角情況下的截割阻力數(shù)值統(tǒng)計(jì)

4 截齒的疲勞壽命分析

采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)失效的主要由于截齒的斷裂，截割機(jī)構(gòu)在工作時(shí)切割到巖壁受外力作用折斷或者是在長(zhǎng)期截割阻力的作用下截齒齒身受到不規(guī)則的交變應(yīng)力的反復(fù)作用，在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的工作后，截齒在應(yīng)力集中的部位發(fā)生疲勞破壞，最終導(dǎo)致截齒的折斷。因此對(duì)截齒進(jìn)行疲勞壽命分析，提高截齒在工作時(shí)的使用壽命對(duì)提升采煤機(jī)整體的經(jīng)濟(jì)性和可靠性具有十分重要的意義。本文利用Nastran仿真分析軟件，在其材料庫(kù)中設(shè)定4340合金作為截齒材料，將在Ansys仿真分析[4]中獲得的截齒在不同安裝角度情況下的最大截割阻力分別作用在截齒上，按照SWT準(zhǔn)則對(duì)其受力情況下的疲勞壽命進(jìn)行分選，仿真分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同安裝角下截齒的疲勞壽命（次）分析

由圖3可知，截齒在受交變截割阻力的作用下齒身最易發(fā)生疲勞斷裂，根據(jù)仿真分析結(jié)果，當(dāng)截齒安裝較為35°時(shí)其最小的疲勞壽命約為4.84×104次，截齒安裝較為40°時(shí)其最小的疲勞壽命約為5.07×104次，截齒安裝較為45°時(shí)其最小的疲勞壽命約為6.41×104次，截齒安裝較為50°時(shí)其最小的疲勞壽命約為1.17×104次。由此可知當(dāng)截齒安裝角度為45°時(shí)其具有最大的疲勞壽命，因此相對(duì)于其他的截齒安裝角度，在45°的條件下截齒更不易出現(xiàn)斷裂，使用壽命也更長(zhǎng)，能夠顯著提高采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)的工作壽命。

5 結(jié)論

建立采煤機(jī)截齒安裝角與截割阻力的數(shù)學(xué)模型，利用Ansys仿真分析軟件對(duì)采煤機(jī)截割結(jié)構(gòu)截齒分別在不同安裝角度情況下截割機(jī)構(gòu)切割煤壁的過程進(jìn)行仿真分析，獲得了采煤機(jī)在截割運(yùn)動(dòng)時(shí)作用在截齒上的截割阻力和截齒安裝角的關(guān)系。利用Nastran仿真分析軟件對(duì)采煤機(jī)在不同安裝角度下的疲勞壽命進(jìn)行分析，結(jié)果表明當(dāng)采煤機(jī)截齒的安裝角度為45°時(shí)具有最長(zhǎng)的疲勞壽命，對(duì)優(yōu)化采煤機(jī)截割機(jī)構(gòu)，提高采煤機(jī)工作的可靠性和穩(wěn)定性具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。