硬巖掘進機截齒和齒座承載的性能分析

劉 勇，潘小虎，曹 剛，邢 惠

（山西潞安郭莊煤業(yè)，山西 長治 046000）

引言

對地下煤層進行開采時，傳統(tǒng)的打眼放炮形式的開采效率低，且具有一定的危險性。硬巖掘進機是進行地下煤巖巷道掘進的綜合設(shè)備，可以直接對巖層進行切割掘進，實現(xiàn)較高的掘進效率。硬巖掘進機以較高的截割效率、適用巖層范圍廣得到廣泛的應(yīng)用[1]。在掘進機截割的過程中，截割機構(gòu)的受力情況復(fù)雜多變，其應(yīng)力應(yīng)變差異較大，對整體的性能及使用壽命具有一定的影響。截齒和齒座是直接和巖層接觸的部分，對其承載性能進行分析，掌握其應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，對于提高掘進機的效率及使用壽命具有重要的意義[2]。

1 截齒和齒座結(jié)構(gòu)分析模型的建立

掘進機常使用的截齒結(jié)構(gòu)為鎬形截齒，其工作部分為圓錐體，具有耐沖擊性，能保持較好的自銳性，以實現(xiàn)對巖層的截割。截齒要具有較好的耐磨損能力，且具有良好的耐高溫性能，保證對巖層的截割順暢[3]。掘進機的截齒被安裝在齒座上，齒座被焊接在截割頭上，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 截齒和齒座的結(jié)構(gòu)示意圖

ANSYS是集結(jié)構(gòu)分析、動力學(xué)分析、電熱分析等一體的大型有限元分析軟件，可以對截齒和齒座的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)進行較好的模擬。采用ANSYS有限元分析的方式對截齒和齒座的承載進行分析，首先要建立截齒和齒座的模型，依據(jù)截齒和齒座的尺寸，采用三維建模軟件SolidWorks進行模型的創(chuàng)建，并將模型導(dǎo)入到ANSYS中[4]。對截齒和齒座的模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分是進行前處理的重要步驟，采用ANSYS自適應(yīng)網(wǎng)格進行截齒和齒座模型的網(wǎng)格劃分，得到其模型如圖2所示。進行分析的截齒齒長為143 mm，刀頭的長度為15 mm，選用硬質(zhì)合金的刀頭，刀桿材質(zhì)為42CrMo，齒座的材質(zhì)設(shè)定為23MnNi，設(shè)定相應(yīng)的材質(zhì)參數(shù)。

圖2 截齒和齒座網(wǎng)格劃分模型

由于截齒在進行截割的過程中，受到巖層的作用力較為復(fù)雜，且齒尖容易出現(xiàn)較大的磨損，在進行截齒分析的過程中，設(shè)定截齒受到集中載荷的作用，且在使用過程中，鎬形截齒與齒座不產(chǎn)生相對運動，對截齒施加集中載荷作用，齒座整體焊接在截割頭上，對齒座的底部進行固定約束，由此對截齒和齒座的性能進行分析[5]。

2 截齒和齒座承載性能的結(jié)果分析

2.1 截齒和齒座的應(yīng)力和應(yīng)變分析

對截齒和齒座的模型進行加載運算，得到截齒和齒座的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分別如下頁圖3、圖4所示。從圖3中可以看出，截齒的刀頭位置處承受的應(yīng)力較大，最大應(yīng)力值為310 MPa，最大應(yīng)力小于合金材料的許用應(yīng)力540 MPa，滿足刀頭的強度需求，同時存在著一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象。這是由于在進行截割的過程中，硬質(zhì)合金刀頭的部分直接接觸巖層，承受集中力作用而產(chǎn)生應(yīng)力集中，這對于截齒的截割性能及使用壽命是不利的。在刀頭的焊接位置處，其應(yīng)力值也較大，容易造成刀頭的焊縫撕裂，造成刀頭的脫落。刀桿位置處所受的最大應(yīng)力值為244 MPa，小于材料的需用應(yīng)力，滿足強度要求，且刀桿的應(yīng)力分布較為均勻。通過分析可知，鎬形截齒的刀桿能夠滿足使用要求，主要的破壞形式發(fā)生在刀頭的位置處。齒座的應(yīng)力較小，主要集中在齒座與截割頭的焊接位置處，容易造成齒座的脫落[6]。

圖3 截齒和齒座的應(yīng)力（Pa）變化云圖

圖4 截齒和齒座的應(yīng)變（mm）變化云圖

從圖4中的變形云圖可以看出，最大的變形位置位于刀頭部位，最大變形量為3.7 mm，整體的變形量不大，對于截齒的運動精度影響較小。齒座的最大變形發(fā)生在齒座的上部位置，變形量也相對較小，截齒底部焊接位置處的變形量更小。由此可知，截齒和齒座在工作載荷的作用下，產(chǎn)生的位移變形較小，對于截割作業(yè)的影響可以忽略。

2.2 提高截齒和齒座承載的途徑

硬巖掘進機對于截齒和齒座的承載性能要求越來越高。采用大直徑的合金大頭并增加截齒軸肩位置處的直徑并采取一定的圓角處理能夠改善截齒的應(yīng)力分布，從而延長截齒的使用壽命。對于刀頭的材質(zhì)，應(yīng)選取耐磨性質(zhì)的合金材料，并提高刀頭的成型工藝，從而可以提高刀頭自身的質(zhì)量。在焊接過程中，保證焊接的質(zhì)量，選取具有較好的流動性的焊接材料，保證焊縫的強度及韌性。在截齒截割的過程中，對于齒座要具有足夠的強度，可以選取較大的齒座，并將齒座與截齒進行整體焊接，提高截齒和齒座的整體性。

3 結(jié)論

硬巖掘進機是進行煤礦開采掘進的重要設(shè)備，可以顯著地提高掘進效率，從而提高煤礦的生產(chǎn)效率。在硬巖掘進機掘進的過程中，截齒是和巖層直接接觸的部件，截齒焊接與齒座上，截齒和齒座的承載性能對于掘進機的掘進效率及使用壽命具有重要的影響。采用有限元分析的方式，對截齒和齒座在截割過程中的應(yīng)力應(yīng)變進行分析。結(jié)果表明，在進行截割的過程中，截齒和齒座的變形都較小，可以忽略；截齒的最大應(yīng)力出現(xiàn)在刀頭的位置處，并且存在著應(yīng)力集中的現(xiàn)象，這對于截齒的截割過程是不利的。截齒的破壞容易發(fā)生在刀頭處，齒座與截割頭的焊接位置處容易出現(xiàn)齒座的脫落。在實際的應(yīng)用過程中，應(yīng)采取先進的合金材料，采用先進的焊接工藝提高焊接的質(zhì)量，從而提高截齒和齒座的質(zhì)量，保證截齒的性能及使用壽命，從而可以為煤礦的開采提供高效的掘進，滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。