采煤機(jī)鎬形截齒的失效形式及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析

許 峰

（大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司安全管理監(jiān)察局， 山西 大同 037003）

引言

就雙滾筒采煤機(jī)來(lái)講，其機(jī)身配置有可上下移動(dòng)的滾筒與搖臂，而截齒則需要依據(jù)相關(guān)規(guī)律來(lái)進(jìn)行安裝，使其處于滾筒的前端，作用是截割煤巖和落煤。該采煤機(jī)運(yùn)行的環(huán)境較為惡劣，截齒的受力不均勻，并因長(zhǎng)時(shí)間的沖擊、磨損等出現(xiàn)了截齒遺失或失效的狀況，對(duì)采煤機(jī)的運(yùn)行造成了嚴(yán)重的影響。因此，必須深入研究造成截齒失效的各個(gè)因素及機(jī)理，從而對(duì)截齒的研制、選擇、維護(hù)等一系列進(jìn)行改良[1]。

1 鎬形截齒的構(gòu)成及安裝

如圖1 所示，其為鎬形截齒的構(gòu)成及安裝圖。

對(duì)于應(yīng)用最頻繁的鎬形截齒，其硬質(zhì)合金齒頭與齒體的連接可以采用釬焊，齒頭所采用的材料具備較高強(qiáng)度、較大硬度，可以劈裂或嵌入煤巖中；齒體則具備較高的韌性、較好的力學(xué)性能，可以承受較大的荷載；齒座所運(yùn)用的材料為普通鑄鋼材，該部分主要安裝于滾筒部位，與齒座和齒體形成連接[2]。

圖1 鎬形截齒的構(gòu)成及安裝圖

2 采煤機(jī)截齒常見(jiàn)的失效形式

目前，主要有兩種因素會(huì)影響到鎬形截齒的使用壽命，分別為環(huán)境因素和自身因素。

環(huán)境因素主要包含井下掘進(jìn)煤層的頂板及底板巖石的結(jié)構(gòu)、煤層的夾矸量等等，其含矸量及硬度越大，截齒所受到的磨損和沖擊也將越大。

自身因素主要包含截齒的材料、結(jié)構(gòu)、安裝部位等等，若其設(shè)計(jì)具備合理性，則可以極大降低截齒受力的不均勻性。

實(shí)際上，因截齒工作所處的環(huán)境較為特殊，其失效的常見(jiàn)形式主要為齒體受損及遺失、整體折斷等，不管是哪種形式的損壞，都會(huì)涉及截割操作，進(jìn)而對(duì)采煤機(jī)的正常運(yùn)作及生產(chǎn)的效率造成極大的影響，導(dǎo)致開(kāi)采的成本不斷增加。對(duì)于該狀況，本文針對(duì)截齒的受力進(jìn)行了深入研究，并將截齒在各個(gè)工況下存在的應(yīng)力特征進(jìn)行了模擬，從而對(duì)導(dǎo)致截齒出現(xiàn)各種失效問(wèn)題的機(jī)理進(jìn)行研究[3]。

3 截齒的受力分析

鎬形截齒是基于某個(gè)角度和速度來(lái)嵌入到煤巖中，齒頭具備較高的強(qiáng)度，可以將煤體進(jìn)行局部破碎，并逐漸形成一種密實(shí)核，其周圍存在的應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致煤體出現(xiàn)裂縫，并逐漸擴(kuò)展，最終導(dǎo)致片狀落煤的產(chǎn)生。在工作的過(guò)程中，截齒將會(huì)受到與煤層方向相垂直的截割阻力FZ、與機(jī)體行進(jìn)方向相平行的推進(jìn)阻力FY和與煤壁相垂直的側(cè)向力FX的影響。根據(jù)之前的研究可知，截齒主要受到以下三種作用力

式中：α 為截割系數(shù)；b為截割厚度。

4 截齒的有限元研究

4.1 有限元模型的建立

4.1.1 截齒模型

下頁(yè)圖2 所表示的是本文研究中所采用截齒的尺寸，由于齒體與齒頭所使用的材料存在著較大的差別，因此應(yīng)當(dāng)建立針對(duì)性較強(qiáng)的模型和設(shè)定材料的各個(gè)屬性。另外，本文選擇齒體來(lái)開(kāi)展研究，因此根據(jù)齒體上端所屬的相關(guān)條件來(lái)分析齒體和齒座的受力，并進(jìn)行模擬，不需要單獨(dú)針對(duì)齒座來(lái)創(chuàng)建模型。

圖2 截齒尺寸（單位：mm）

選擇通用型、大型的有限元軟件來(lái)開(kāi)展研究，齒頭與齒體的結(jié)構(gòu)都是回轉(zhuǎn)體，因此可以在該軟件的模型板塊中直接產(chǎn)生，之后再實(shí)施裝配。

4.1.2 材料屬性

針對(duì)齒頭與齒體兩個(gè)部件，分別在軟件中設(shè)置其所使用材料的屬性，其參數(shù)如表1 所示。

表1 齒頭與齒體的材料屬性表

4.1.3 約束及載荷

處于正常工況之下，齒體與齒頭之間的連接是利用釬焊實(shí)現(xiàn)，因此在兩者的安裝處進(jìn)行相應(yīng)的約束，促使其成為一體。這種設(shè)置形式仍然可以在齒體受損的狀況下使用。但是在釬焊不穩(wěn)的狀況下，只需要在齒頭與齒體之間設(shè)置相應(yīng)的條件，不需要再進(jìn)行其他的連接[4]。

這三個(gè)方向上的負(fù)荷主要處于齒頭的局部受力區(qū)域，與齒頂相距3～4 mm 的圓錐面中，需運(yùn)用相應(yīng)的方法來(lái)進(jìn)行加載。本研究中，截齒在三個(gè)方向FX、FY和FZ中所受到的荷載分別為2 kN、8.5 kN 和10 kN。

4.2 正常工況下的截齒受力

在這種工況下，截齒的受力詳見(jiàn)圖3，Mises 應(yīng)力的最大值產(chǎn)生于齒頭的頂部，其數(shù)值為1 057 MPa，該數(shù)值低于極限強(qiáng)度值，因此可以實(shí)現(xiàn)有效的截割工作。該部分所受到的應(yīng)力是運(yùn)行過(guò)程中與煤巖之間形成的接觸應(yīng)力，其分布較為集中，但是因齒頭所使用的材料為硬質(zhì)合金，因此可以在不斷的摩擦中保持效用。

齒體的應(yīng)力詳見(jiàn)圖4，Mises 應(yīng)力最大為270.3 MPa，產(chǎn)生于齒體的底部，具備較高的安全系數(shù)。

此外，齒體所采用的材質(zhì)具有較強(qiáng)的力學(xué)性能，其韌性與強(qiáng)度都可以確保齒體在正常工況下應(yīng)用[5]。

圖3 正常工況下截齒受力（MPa）云圖

圖4 正常工況下齒體受力（MPa）云圖

4.3 釬焊松動(dòng)工況下的截齒受力

在加工截齒的時(shí)候，由于齒體所用材料為普通合金，齒頭所用材料為硬質(zhì)合金，這兩種材料的屬性存在較大差別，因此在進(jìn)行釬焊過(guò)程中難以獲得較高的焊縫強(qiáng)度。同時(shí)，在使用過(guò)程中，截齒常常會(huì)與煤巖等發(fā)生撞擊，因此，應(yīng)用釬焊所形成的焊縫極易出現(xiàn)裂縫而失效。當(dāng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的失效問(wèn)題時(shí)，齒頭將會(huì)直接丟失，齒體與煤巖之間會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的撞擊。

就截齒來(lái)講，由于齒頭可以開(kāi)展有效的截割工作，因此齒頭可以保持與正常工況下相同的受力，主要存在強(qiáng)度較高的接觸應(yīng)力，可能出現(xiàn)破裂現(xiàn)象，在該工況下的受力狀況詳見(jiàn)下頁(yè)圖5。而對(duì)于齒體而言，最大應(yīng)力的部位將逐漸轉(zhuǎn)移到齒頭安裝孔的底端，為1 766 MPa，盡管依舊處于安全受力的狀態(tài)，但是此時(shí)的齒頭與齒體不具有穩(wěn)定的連接，極易遺失齒頭或者導(dǎo)致齒體破碎[6]。

4.4 齒體磨損工況下的截齒受力

在使用截齒的過(guò)程中，當(dāng)齒頭嵌入到煤體之后，齒體前部也會(huì)深入到煤巖內(nèi)部進(jìn)行破碎，齒體與煤巖之間會(huì)出現(xiàn)劇烈的撞擊。在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的使用之后，齒體在該工況下的受力狀況詳見(jiàn)下頁(yè)圖6，齒體前部因受到磨損而導(dǎo)致其厚度不斷減少。根據(jù)分析可知，此時(shí)齒體形成最大應(yīng)力的部位會(huì)逐漸轉(zhuǎn)移到齒頭安裝孔的底端。隨著磨損狀況的不斷加深，該區(qū)域之內(nèi)的應(yīng)力會(huì)不斷增加，直到失去效用[7]。

圖5 齒頭局部碎裂工況下的受力（MPa）云圖

圖6 齒體磨損工況下的受力（MPa）云圖

5 截齒結(jié)構(gòu)的改良

為了有效處理齒體與齒頭之間連接失效的問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)積極探索全新的釬焊技術(shù)，同時(shí)通過(guò)探索齒體與齒頭之間的全新釬焊技術(shù)來(lái)實(shí)施優(yōu)化，以增強(qiáng)焊接縫的強(qiáng)度與抗沖擊性，避免遺失和損壞齒頭。

針對(duì)因齒體前方受損而產(chǎn)生的強(qiáng)度降低問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)基于硬度及耐磨度的提升，運(yùn)用有效的方法加強(qiáng)齒體的前端，例如局部淬火等，使齒體的使用年限得以延長(zhǎng)[8]。