采煤機(jī)螺旋葉片磨損問題分析研究

高 峰

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長治 046699）

引言

煤炭作為我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要能源保障之一，儲存數(shù)量巨大但煤層賦存條件各異，給煤炭掘進(jìn)工作帶來極大的不便，同時，也對煤炭掘進(jìn)設(shè)備提出了更高的要求[1-2]。螺旋滾筒葉片作為采煤機(jī)的關(guān)鍵組成部件，承擔(dān)著截割煤層和裝煤的重任，但工作條件和受力情況極為惡劣，磨損問題最為嚴(yán)重[3-4]。螺旋滾筒葉片的磨損程度較大時，將會削弱其截煤和裝煤的效率，限制煤炭企業(yè)產(chǎn)煤量的進(jìn)一步提升，與此同時，螺旋滾筒葉片的磨損問題也與其使用壽命息息相關(guān)[5-6]。因此，開展采煤機(jī)螺旋葉片磨損問題分析研究工作，對于提高采煤機(jī)的掘進(jìn)效率和壽命具有重要的意義。

1 螺旋滾筒結(jié)構(gòu)組成

某型號采煤機(jī)的螺旋滾筒結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，其工作過程中負(fù)責(zé)煤層的掘進(jìn)和裝煤工作，其工作的可靠性直接與煤炭的產(chǎn)能和效率掛鉤，必須引起高度重視。由圖1 可以看出，采煤機(jī)螺旋滾筒主要包括截齒、齒座、輪轂、端盤和螺旋葉片，截齒連接在螺旋葉片上的齒座中，之后固定于筒轂和端盤位置。與此同時，為了保證采煤機(jī)的掘進(jìn)效率，確保螺旋滾筒長時間安全可靠運(yùn)行，滾筒位置還會安裝降塵水管和噴嘴以及增強(qiáng)螺旋葉片耐磨性的各種組件等。

圖1 螺旋滾筒結(jié)構(gòu)組成

2 螺旋葉片有限元仿真分析

2.1 仿真分析準(zhǔn)備

螺旋滾筒有限元仿真分析前的處理工作主要涉及以下內(nèi)容：第一是三維模型的建立，運(yùn)存SolidWorks 軟件繪制螺旋滾筒三維模型，為了提高仿真計(jì)算的效率，忽略結(jié)構(gòu)件中的倒角、螺紋及不影響仿真結(jié)果的孔等特征。第二是材料屬性設(shè)置及網(wǎng)格的劃分，葉片、筒轂和端盤材料均為16Mn，其彈性模量為219 GPa，屈服強(qiáng)度為766.67 MPa，密度為7 850 kg/m3；合金頭材料為YG8，其彈性模量為590 GPa，屈服強(qiáng)度約為1 200 MPa，密度為1 460 kg/m3；截齒材料為42CrMn，其彈性模量為212 GPa，屈服強(qiáng)度為1 080 MPa，密度為7 850 kg/m3。網(wǎng)格劃分方式為自由劃分。第三是約束與載荷施加，螺旋滾筒設(shè)置為能夠沿其軸線自由轉(zhuǎn)動的約束，載荷設(shè)置按照圖2的載荷譜完成，載荷方向與螺旋滾筒軸線垂直相交。

圖2 螺旋滾筒載荷譜

2.2 仿真結(jié)果

螺旋滾筒葉片有限元仿真分析準(zhǔn)備工作完成之后啟動ANSYS 仿真軟件自帶求解器進(jìn)行計(jì)算，提取螺旋滾筒葉片等效應(yīng)力分布云圖，如下頁圖3 所示。由圖3 可以看出，螺旋滾筒葉片截割煤層時存在應(yīng)力集中，應(yīng)力最大值為439.7 MPa，位置出現(xiàn)在葉片尾部和靠近尾部的葉片外緣，在靠近葉片尾端的1/3處和最末端處的應(yīng)力要明顯大于其他位置的應(yīng)力。出現(xiàn)上述應(yīng)力集中情況的主要原因是螺旋滾筒葉片的運(yùn)煤量隨時間增加而增加，一旦出現(xiàn)煤層下落速度大于其輸送能力時，葉片位置就會堆積煤炭，靠近葉片尾端的位置優(yōu)先堆煤，使該位置的葉片摩擦力和壓力迅速增大，當(dāng)葉片所受壓力超過材料的需用應(yīng)力862.03 MPa 時，就會出現(xiàn)葉片剝落，故而，靠近葉片尾端是螺旋滾筒葉片工作過程中的薄弱環(huán)節(jié)。

圖3 螺旋滾筒葉片等效應(yīng)力（Pa）分布云圖

2.3 結(jié)果分析

提取螺旋滾筒葉片中575797、612236 及659538 三個單元隨時間變化的載荷曲線，如圖4 所示，其中575797 單元在有限元模型中的位置是葉片外緣棱角部位，612236 和659538 單元在有限元模型中的位置是葉片靠近尾端部位，上述兩個位置是螺旋滾筒葉片工作時應(yīng)力集中的位置，極易出現(xiàn)葉片磨壞情況。由圖4 可以看出，575797 單元在1.2 s時刻被磨掉，612236 單元與659538 單元相比，前者容易被磨掉，在1.6 s 時刻被磨掉，上述仿真結(jié)果與實(shí)際情況吻合。由各個單元振幅的仿真結(jié)果可以得出，螺旋滾筒葉片初始工作時，截齒截割的煤炭數(shù)量較少，反作用與葉片的載荷應(yīng)力較小，之后伴隨葉片截割載荷的提高，截割煤炭總量增大，各單元位置的曲線幅值逐漸提高。隨著截割時間的推移，螺旋滾筒葉片全部參與煤炭截割時，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，葉片所受應(yīng)力數(shù)值基本不變，與實(shí)際工況相一致。

圖4 失效單元的時間歷程曲線

3 螺旋葉片磨損域及原因分析

3.1 磨損域漸變關(guān)系

螺旋葉片磨損域漸變圖如圖5 所示，可以得出時間t=0.6 s 時刻時，螺旋葉片中下部存在較為明顯的磨損痕跡，伴隨運(yùn)轉(zhuǎn)時間的延長，相同位置的磨損量存在加深的趨勢，磨損面積大小的變化趨勢卻與之相反，呈現(xiàn)降低的趨勢。出現(xiàn)上述變化趨勢關(guān)系的原因主要如下：螺旋葉片不截割煤層時，其表面不會是絕對光滑的狀態(tài)，存在細(xì)微的凸起和凹陷等特征，當(dāng)螺旋葉片截割煤層時，其中凸起就會受到煤層較大的摩擦力將其磨掉，而葉片的輸送工作面和葉片的外緣表面會在煤層的磨損下呈現(xiàn)出光滑狀態(tài)。螺旋葉片截割煤層的后期，磨損域面積的增長速率隨之降低，處于大面積接觸煤炭的情形，磨損較為穩(wěn)定。

圖5 螺旋葉片磨損域漸變圖

3.2 磨損深度變化趨勢

結(jié)合磨損理論基礎(chǔ)知識及仿真計(jì)算結(jié)果得出螺旋滾筒葉片磨損深度與磨損時間的變化關(guān)系，如圖6 所示，由圖6 可以看出，隨著螺旋滾筒葉片磨損時間的延長，螺旋葉片的磨損深度尺寸不斷增大，磨損時間t=2 s 時的最大磨損量深度為3.59 μm。由圖6還可以看出，磨損初始階段的磨損深度增加速率較大，隨著時間的推移，磨損深度的增加速率逐漸呈現(xiàn)出變緩的趨勢。

圖6 磨損量深度隨時間的變化趨勢

3.3 原因分析

由圖5 可以得出螺旋滾筒葉片的尾尖部位存在磨損狀態(tài)的同時，還存在朝非裝煤一側(cè)傾斜的趨勢，出現(xiàn)上述現(xiàn)象最直接的原因是螺旋滾筒葉片尾尖部位受到的作用力大于其他部位。因采煤機(jī)螺旋滾筒的主要作用是截煤和裝煤，葉片的主要任務(wù)是裝煤，故而，作用于葉片較大的力來源于螺旋滾筒裝煤過程。螺旋滾筒葉片截割煤炭時，承受來自煤炭的反作用力作用于截齒，對葉片影響較小。落煤裝至輸送機(jī)主要依賴于螺旋滾筒葉片的推動力，是導(dǎo)致螺旋滾筒葉片尾尖部位出現(xiàn)磨損和變形的主要原因。由于葉片尾尖部位與刮板輸送機(jī)溜槽的距離較小，裝煤過程中裝煤阻力直接作用于螺旋滾筒葉片的尾尖部位，使該位置的磨損極為明顯。同時，裝煤過程若遇到塊頭較大的煤炭，還會導(dǎo)致葉片尾尖部位卡煤的情況出現(xiàn)，更會加劇螺旋滾筒葉片尾尖位置的磨損和形變。

4 結(jié)語

螺旋滾筒葉片作為采煤機(jī)截割部極為重要的組成部件，其磨損性能的好壞直接關(guān)系著采煤機(jī)的使用壽命和效率，現(xiàn)已引起了煤炭行業(yè)的廣泛關(guān)注。針對某型號采煤機(jī)螺旋滾筒葉片存在磨損嚴(yán)重的問題，借助ANSYS 有限元仿真分析軟件，開展了螺旋滾筒葉片磨損問題分析工作。結(jié)果表明，螺旋滾筒葉片尾尖部位存在明顯的應(yīng)力集中情況。分析結(jié)果表明，螺旋滾筒葉片應(yīng)力集中來源于裝煤過程中較大的裝煤阻力，這也是螺旋滾筒葉片磨損問題出現(xiàn)的主要原因。