采煤機(jī)鉆式采煤截齒不同安裝角度的受力分析

陳 萌

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝煤礦， 山西 呂梁 033602）

引言

鉆式采煤機(jī)是在薄煤層、松軟煤層開采及煤柱回收開采過程中廣泛使用的采煤設(shè)備，鉆式采煤機(jī)沿水平方向布置在巷道內(nèi)，通過不斷加長鉆桿向煤層深處開采。在鉆式采煤作業(yè)過程中，特別是保護(hù)層煤層硬度較大時，截齒受到的阻力作用較大，截齒的磨損較嚴(yán)重[1]。鎬形截齒是常用的截齒類型，齒尖采用硬質(zhì)合金制成，具有一定的強(qiáng)度和耐磨性，通過釬焊的方式安裝在齒體內(nèi)，齒柄安裝在齒座內(nèi)可以自由轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)自銳。截齒安裝的角度不同，在截割過程中受到的截割力作用不同，造成截齒磨損情況不同[2]。采用離散元仿真模擬的方式對不同安裝角度下的截齒受力進(jìn)行分析，從而確定適宜的截齒安裝角度，減小截齒的磨損，提高鉆式采煤的效率。

1 截齒截割煤巖模型的構(gòu)建

鉆式采煤機(jī)截齒有端盤和筋板兩種安裝形式，對筋板截齒安裝的角度進(jìn)行分析。鉆式采煤機(jī)截齒的安裝角度包括切削角和旋轉(zhuǎn)角兩個參數(shù)表示，如圖1 所示，切削角表示截齒的軸線和齒尖運(yùn)動軌跡之間的夾角，旋轉(zhuǎn)角表示截齒軸線和鉆頭軸線之間的夾角[3]。切削角改變截齒截割煤巖的位置，旋轉(zhuǎn)角改變筋板截齒的鉆進(jìn)能力，使鉆頭更好地進(jìn)行鉆進(jìn)。對截齒的安裝角度進(jìn)行分析，截割筋板截齒的特點(diǎn)，對兩種不同的角度參數(shù)進(jìn)行模擬。

圖1 截齒安裝角度示意圖

采用PFC3D 離散元分析的方式對截齒截割的過程模擬，PFC3D 具有強(qiáng)大的邏輯推理性，可以直接建立球形顆粒模型，并創(chuàng)建顆粒之間的聯(lián)系，PFC3D 可以在計算過程中進(jìn)行干預(yù)，及時發(fā)現(xiàn)錯誤，提高分析的效率。在PFC3D 軟件中建立鎬形截齒的模型，簡化單元格的數(shù)量進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理。煤巖的模型采用均勻剛性的顆粒組成，設(shè)定模型的尺寸為400 mm×400 mm×50 mm，煤巖中心為直徑300 mm 的鉆孔，截齒的截割厚度為15 mm，煤巖截割模型表面固定，得到截割煤巖的模型如圖2 所示[4]。設(shè)定截齒的切削角分別為45°、42°、40°、38°，旋轉(zhuǎn)角分別為25°、30°、35°、40°，兩兩組合共16種不同工況的模擬分析。

圖2 煤巖截割模型（單位：mm）

2 截齒不同安裝角度的受力模擬分析

對截齒的受力進(jìn)行分析，提取受力分析的結(jié)果，為準(zhǔn)確描述截齒的受力狀態(tài)，對截齒受力采用平鋪展開的形式進(jìn)行展示，不同的受力作用采用不同的顏色表示。如下頁圖3 所示為切削角為38°、旋轉(zhuǎn)角為25°時截齒的受力圖，圖中藍(lán)色的區(qū)域表示作用力較小或作用力小于1 N，淺藍(lán)色表示作用力為1～6 N 的作用力，黃色表示9～11 N 的作用力，橘黃色表示11～13 N 的作用力，紅色表示大于13 N 的作用力。從圖3 中可以看出，截齒的受力作用由齒尖向著齒身部分逐漸遞減，紅色區(qū)域主要集中在合金頭的一定范圍內(nèi)，紅色區(qū)域?qū)?yīng)齒身的受力也相對較大。截齒的磨損區(qū)域主要集中在合金頭和截齒的上半部分，因此主要針對這一部分進(jìn)行分析。由此對16 種不同工況下的截齒受力作用進(jìn)行分析，經(jīng)過分析可知，在不同的工況下，截齒的受力均由齒尖向著齒身減小，合金頭的受力作用最大，且分布不均，與煤巖接觸的一側(cè)受力較大；在切削角一定的條件下，則旋轉(zhuǎn)角越大截齒的表面受力越大；在旋轉(zhuǎn)角一定的條件下，隨著切削角的變化，截齒的頭部和截齒齒身的受力差異較大[5]。截齒與煤巖接觸表面的受力區(qū)域相似，隨著旋轉(zhuǎn)角度的增加，受到的作用力也隨之增加，在截割過程中容易造成截齒的磨損；截割產(chǎn)生的煤巖顆粒在鉆孔的底部有所殘留堆積，對截齒的背面易造成劃痕磨損，影響截齒的壽命。

圖3 切削角38°、旋轉(zhuǎn)角25°時截齒受力圖

截齒的磨損除與截齒表面的受力相關(guān)之外，在截齒的展開圖中還與截齒表面的網(wǎng)格受到的最大值相關(guān)。網(wǎng)格的受力越大，則越容易造成截齒的磨損，對不同工況下截齒的表面網(wǎng)格受到的最大的作用力進(jìn)行統(tǒng)計，得到如圖4 所示的曲線圖。從圖4 中可以看出，隨著切削角的增加，4 種不同旋轉(zhuǎn)角截齒表面的網(wǎng)格受到的最大作用力值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在截齒的切削角為42°時達(dá)到最大值；4 條曲線中，隨著旋轉(zhuǎn)角的增加，截齒表面的網(wǎng)格受到的最大作用力值呈增加的趨勢，在旋轉(zhuǎn)角為25°時，截齒表面的網(wǎng)格受到的最大作用力值最小，然后呈現(xiàn)遞增的趨勢。

圖4 截齒表面的網(wǎng)格受到的最大作用力值變化曲線

3 結(jié)論

不同的安裝角度下的截齒受力均由截齒的合金頭到齒身逐漸減小，合金頭受到的作用力較大，且與煤巖接觸的一側(cè)作用力較大；隨著切削角的增加，4種不同旋轉(zhuǎn)角截齒表面的網(wǎng)格受到的最大作用力值呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；隨著旋轉(zhuǎn)角的增加，截齒表面的網(wǎng)格受到的最大作用力值呈增加的趨勢。通過對截齒不同安裝角度的受力分析，可以為截齒應(yīng)用過程中的參數(shù)選取提供依據(jù)，從而減小截齒的受力，減小截齒的磨損，提高截齒的壽命。