基于有限元分析的礦井掘進機截齒錐形選擇強度研究

張俊偉

（潞安集團余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046103）

引言

掘進機是直接作用于工作面掘進切割和煤炭開采的高效工具，用于破碎煤和巖石。切削截齒的性能直接影響到整機的工作效率、可靠性、使用壽命以及整機的經(jīng)濟效率。由于切割截齒所處的工作環(huán)境較惡劣，切割截齒的磨損和損壞非常嚴重，因此，切割截齒已成為最脆弱的部件之一，需要經(jīng)常更換。據(jù)統(tǒng)計，我國截齒的消耗量為每萬噸煤礦開采400～800個，截齒的使用效率普遍較低。研究人員主要通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬進行研究，研究集中在巖石切割過程上，而不是在切割齒上。因此，本文首先討論了切割齒圓錐挑選的失效，并通過理論計算分析了切割齒載荷力，在此基礎(chǔ)上建立了靜態(tài)有限元模型，計算了切割齒圓錐挑選的強度；為了驗證仿真結(jié)果的準確性，利用接觸分析建立了截齒錐形挑選的實際切削模型，并將該結(jié)果與靜態(tài)有限元分析結(jié)果進行了比較[1]。研究成果為掘進機截齒圓錐挑選設(shè)計優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 截割齒失效分析

1.1 截齒的磨損

錐形截齒由刀桿和合金刀頭組成。刀桿一般由合金結(jié)構(gòu)鋼制成，刀頭使用硬質(zhì)合金制成。掘進機工作時，合金刀頭在切削過程中直接與巖石相互作用，因此應(yīng)具有足夠的硬度和耐磨性。刀桿用于支撐合金刀頭，并與刀架連接，通過焊接固定在一起，形成錐形刀頭。截齒在截割過程中經(jīng)常遇到高壓縮應(yīng)力、剪切應(yīng)力和沖擊載荷下的煤矸石等堅硬的礦物聚集體。因此錐形截齒的工作條件非常復(fù)雜，出現(xiàn)故障在所難免。

隨著切割時間的延長，在切割過程中，截齒與煤石的摩擦使切割尖變鈍，如圖1中a情況。根據(jù)磨損理論，煤到金屬的磨損屬于磨料磨損。煤中的硬質(zhì)礦物（如石英、黃鐵礦等）是造成干摩擦狀態(tài)下磨料磨損的主要原因[2]。錐形截齒切削部件面積增大，導(dǎo)致切割阻力增大，切削挑選強度降低，粉塵量增加。刀具切割過程中由于磨損熱產(chǎn)生600～800℃高溫，但錐形截齒與煤和巖石接觸時的周期性旋轉(zhuǎn)運動導(dǎo)致升溫，偏離煤和巖石時冷卻，使錐形截齒頂部高溫回火，組織回屑和鐵氧體發(fā)生高溫回火。因此截齒的硬度降低了50%，加速了截齒的磨損，地下環(huán)境介質(zhì)的腐蝕也導(dǎo)致截齒腐蝕磨損[3]。

圖1 截齒不同失效類型示意圖

1.2 硬質(zhì)合金工具鉆頭脫落

當(dāng)截齒的磨損達到一定程度時，截齒上的硬質(zhì)合金刀頭脫落，如圖1中b情況。脫落的原因主要包括兩個方面：焊接質(zhì)量問題，如焊點上的夾砂物、微裂紋、冷焊縫等問題；當(dāng)截齒切煤和巖石導(dǎo)致錐形切煤應(yīng)力集中時，會發(fā)生強沖擊載荷，反復(fù)沖擊導(dǎo)致硬質(zhì)合金工具松動，直到硬質(zhì)合金工具脫落。硬質(zhì)合金刀頭脫落后，錐形刀頭切割阻力增大，磨損嚴重，加速了錐形截齒的損壞[4]。

1.3 截齒合金頭的丟失

在實際使用過程中，圓錐形合金頭的損失也是一個常見的問題，如圖1中c情況。損失產(chǎn)生主要由于合金頭固定不夠可靠以及固定裝置的磨損，此外在錐體的工作過程中，錐體的斷裂、錐體的彎曲以及其他一些錐體的失效形式也是導(dǎo)致?lián)p失的原因[5]。為了避免刀的損壞，首先要得到截齒所受的工作載荷。

2 截齒靜力學(xué)分析

2.1 有限元建模與網(wǎng)格劃分

為了分析截齒的強度，首先采用ANSYS對采煤工作進行了靜力學(xué)分析。在實際切割過程中，根據(jù)截齒的載荷特性，認為截齒所受的力是簡化集中力，不考慮動態(tài)載荷的影響，不考慮截齒在齒座上的旋轉(zhuǎn)。

截齒實體模型結(jié)構(gòu)參數(shù)為長度135 mm，最大直徑65 mm，刀頭長度15 mm，刀桿直徑38 mm。材料參數(shù)定義為彈性模量670 GPa，泊松比0.3。選擇Solid10節(jié)點92號單元進行分析，錐形選擇與智能尺寸網(wǎng)格化分，底座連接的部分被細化[6]，產(chǎn)生29 606個節(jié)點和19 005個網(wǎng)格。

2.2 裝載與約束

分析類型被定義為靜態(tài)的。根據(jù)實際工況計算切割阻力，切割阻力為6.5 kN，牽引阻力為3.2 kN，橫向阻力為1.8 kN。已完成的帶有載荷和約束的有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元網(wǎng)格模型示意圖

2.3 求解結(jié)果分析

在完成上述所有設(shè)置之后，進行仿真結(jié)果分析，結(jié)果如圖3所示。變形圖的顯示模式采用高解析力的變形形式顯示，直觀地考慮截齒的變形，其中虛線為變形前的截齒的形狀，其余為變形后的結(jié)果?？梢钥闯?，主要變形發(fā)生在截齒的頂部區(qū)域。

圖3 截齒形變示意圖

由圖3可以看出，截齒的最大應(yīng)力出現(xiàn)在工具位上，最大Von mises應(yīng)力為107.629 MPa，主要是由于該區(qū)域受力集中所致。根據(jù)靜態(tài)分析結(jié)果，截齒在靜載荷下沒有損壞。

3 截齒強度接觸分析

3.1 切割系統(tǒng)有限元建模與網(wǎng)格化

為了簡化分析模型，建立了切割頭和有限體積長方體來模擬煤質(zhì)模型?？紤]到接觸分析的收斂性，將截齒插入煤模型中，建立了表面接觸模型。Solid185單元類型定義為圓錐形挑選，Solid65用于煤模型。接觸類型是面對面設(shè)置的，模擬與TARGE170和CONTA174接觸元件的接觸表面，其目標表面和接觸表面具有柔性。煤的材料參數(shù)定義為：彈性模量為1 400 MPa，泊松比為0.3，截齒的材料參數(shù)與前一節(jié)相同。接觸摩擦系數(shù)設(shè)為0.1。

截齒和煤的模型對接觸面積進行細化，得到211596個節(jié)點和107 792個網(wǎng)格。網(wǎng)格后的有限元模型如圖4所示。

圖4 切削系統(tǒng)的有限元模型

3.2 分析結(jié)果與討論

由于接觸面積小，很難從整個模型中觀察到截齒的應(yīng)力，因此將煤模型隱藏，只顯示截齒通過接觸分析觀察其內(nèi)部的應(yīng)力，如圖5所示。

圖5 截齒內(nèi)部應(yīng)力（MPa）云圖

從圖5中可以看出，工具位中也出現(xiàn)了最大等效應(yīng)力，該情況與靜態(tài)分析結(jié)果相同，最大等效應(yīng)力值為114.716 MPa，近似等于靜態(tài)分析。截齒表面通過接觸繪制垂直應(yīng)力，隨截齒中心軸距離變化分析如圖6所示。

圖6 截齒頭應(yīng)力曲線示意圖

由上頁圖6可以發(fā)現(xiàn)，截齒上的應(yīng)力集中確實存在，高應(yīng)力是硬質(zhì)合金工具脫落斷裂的重要原因之一。在實際采礦作業(yè)開始時，硬質(zhì)合金工具發(fā)生磨損。錐形截齒與煤和巖石的接觸增加，磨損加速了合金刀具鉆頭的脫落，導(dǎo)致錐形截齒失效。

4 截割角度優(yōu)化分析

切削角是截齒刀頭運動軌跡切線之間的夾角，對截齒的強度有很大影響。通過上述接觸分析，可以建立不同切割角度的切割系統(tǒng)模型，分析不同模型的錐選強度，以找到截齒的最佳切割角度。截齒切角一般在40°～55°之間。為了研究切削角對截齒選取強度的影響，優(yōu)化該角，建立了切削角分別為40°、43°、46°、49°、49°、52°、55°的接觸分析有限元模型，經(jīng)模擬接觸分析得到不同切削角度下的最大等效應(yīng)力，如圖7所示。從圖7中可以看出，最大等效應(yīng)力首先隨著切削角的增大而減小，然后隨著切削角的增大而增大。由此可以得出，這種錐形截齒的最佳切割角約為46°。

5 結(jié)語

圖7 最大等效應(yīng)力與切削角的關(guān)系曲線

本文研究了截齒的失效形式，主要包括截齒的磨損、硬質(zhì)合金刀頭的脫落、截齒的丟失等。根據(jù)基于ANSYS的經(jīng)驗公式計算出的荷載進行了靜態(tài)分析。為了檢驗靜態(tài)分析的結(jié)果，研究了錐形切削過程的接觸分析。分別得到了截齒的變形圖和應(yīng)力分布，驗證了分析結(jié)果的一致性。結(jié)果表明，截齒的最大應(yīng)力出現(xiàn)在底座合金部位，該區(qū)域也發(fā)生了主要變形。掘進機截齒強度的有限元分析對提高截齒的設(shè)計和使用壽命具有重要意義。