圓盤刀具在煤礦掘進(jìn)機(jī)頂部的應(yīng)力變形狀態(tài)研究

王 杰

（山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽泉 045000）

引言

作為全世界煤炭的主要生產(chǎn)國家之一，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，煤礦企業(yè)的裝置正在逐步地實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、智能化作業(yè)，其中煤礦機(jī)械化的主要裝置是掘進(jìn)機(jī)。掘進(jìn)機(jī)性能的穩(wěn)定性關(guān)系到煤炭物料的生產(chǎn)效益。在煤礦中使用的掘進(jìn)機(jī)類型中，懸臂式掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用最為廣泛，在惡劣的煤礦環(huán)境中具有很好的適應(yīng)性。但是針對掘進(jìn)機(jī)的開采部位設(shè)計(jì)亟待進(jìn)一步優(yōu)化，懸臂式掘進(jìn)機(jī)通過不同的刀盤工具的布置和改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)大型煤層和硬巖的破壞[1]。不同截割工具的組成會(huì)對煤層產(chǎn)生不同的切削效果，同樣也會(huì)解決部件的破壞失效情況。位于掘進(jìn)機(jī)頂部的圓盤工具實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)工作體反向運(yùn)動(dòng)的可能性，包括懸臂式掘進(jìn)機(jī)增加了其在異質(zhì)、堅(jiān)硬和磨蝕性巖石破壞中的應(yīng)用范圍。本文開展懸臂式掘進(jìn)機(jī)圓盤刀具的優(yōu)化分析和工程研究，可以對懸臂式掘進(jìn)機(jī)的開采路徑、開采時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的指引，在工程實(shí)踐中得出懸臂式掘進(jìn)機(jī)開采工況的最優(yōu)解。

1 圓盤形刀具的使用背景

掘進(jìn)機(jī)頂面圓盤的刀具是開發(fā)用于機(jī)械破壞硬度系數(shù)≤10 的煤和強(qiáng)磨蝕性巖石的高效工具，是煤炭-巖石切削工具的一個(gè)前景方向。

原有的工程試驗(yàn)測試了4 種掘進(jìn)機(jī)的頂面圓盤的刀具設(shè)計(jì)選擇性方向，其特點(diǎn)是刀具和工具的數(shù)量、安裝方式、螺旋線造型、節(jié)緊固盤的設(shè)計(jì)、端部的切割部分和負(fù)載刀片等相關(guān)參數(shù)均不相同。

在具有硬夾雜物和抗壓層（破壞強(qiáng)度在87～112 MPa 之間）的礦脈和煤脈上進(jìn)行的煤礦測試方法和條件將嚴(yán)格按照程序進(jìn)行[2]，測試分兩個(gè)階段，第一階段包括掘進(jìn)機(jī)的研究，配備常規(guī)造型的刀具截割頭，第二階段包括實(shí)驗(yàn)截割頭，配備圓盤刀具。

在比較研究的過程中，其工作性能由掘進(jìn)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力和輸出功率以及工具的具體消耗決定。

檢測機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)樣品的巖石切割工具的設(shè)計(jì)和布置方案如圖1 所示。

圖1 三種掘進(jìn)機(jī)截割頭的應(yīng)用造型

2 截割頭圓盤刀具結(jié)構(gòu)及有限元分析

2.1 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合工程情況，采用第一種類型的截割頭（見圖1-1）更為合理，該截割頭的圓盤刀頭使用固定螺栓連接（見下頁圖2）。雙座結(jié)緊固由兩個(gè)支架組成，其中軸采用法蘭固定錐形圓盤工具。從軸的軸向位移固定墊圈，螺栓和彈簧墊圈是固定組合，從轉(zhuǎn)動(dòng)軸固定法蘭盤。在圖2 中，顯示了由兩個(gè)支架和組成的雙座結(jié)緊固件，其中軸是帶有遠(yuǎn)程環(huán)的固定雙錐形圓盤工具。為了固定右支架，內(nèi)部的軸線是一個(gè)鎖定環(huán)和橡膠墊片，并且在左支架中設(shè)計(jì)了一個(gè)凹槽。

圖2 圓盤刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2 有限元分析

為了獲得比較真實(shí)的數(shù)據(jù)，需要描述截割頭變速器和電機(jī)的加載程度，測量了電機(jī)功耗、截割頭的進(jìn)料速度和液壓系統(tǒng)的壓力，以間接評估圓盤刀具的工作性能。有限元分析法是目前研究煤面破壞過程中應(yīng)力變形狀態(tài)的有效方法之一[3]。在有限元建模研究的第一階段，使用圓盤工具（見下頁圖3）進(jìn)行了雙座節(jié)緊固并建立有限元模型[4]，以確定被破壞刀具的應(yīng)力狀態(tài)參數(shù)?？紤]了4 種不同的結(jié)構(gòu)圓盤工具直徑D=160 mm（三個(gè)雙錐角φ=φ1+φ2=25°+5°=30°；φ=φ1+φ2=20°+10°=30°；φ=φ1+φ2=15°+15°=30°和一個(gè)錐形角φ=30°）。

圖3 雙座結(jié)固定刀盤的有限元模型

3 有限元分析計(jì)算

3.1 參數(shù)設(shè)置

當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)格時(shí)，使用SOLID45 四面體形式存在的有限元網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算[5]。選擇有限元SOLID45單元是為了進(jìn)一步增加網(wǎng)格的密度而不會(huì)對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生物質(zhì)影響。詳細(xì)材料信息可以參考Q235。在描述雙座結(jié)固定刀盤組件中細(xì)節(jié)之間的相互作用條件時(shí)，使用了接觸條件“無滲透”。為了模擬出雙座結(jié)固定刀盤在計(jì)算中應(yīng)用邊界條件“固定”的效果，將附著在支架底緣設(shè)置為無反射邊界條件[6]。

通過計(jì)算，確定了對圓盤刀具的設(shè)計(jì)，將三個(gè)方向上的Pz、Py、Px的估計(jì)加載工作量附加到有限元模型（圖3）上，其中生成了雙圓錐和圓錐型圓盤刀具的應(yīng)力變形狀態(tài)圖（圖4）。

圖4 雙座結(jié)緊固圓盤刀具等效應(yīng)力（Pa）分布示意圖

3.2 結(jié)果分析

通過仿真計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，在圓盤刀具軸承間隙之間產(chǎn)生徑向分割，使得固定圓盤工具產(chǎn)品的破壞物黏附在截割頭的工作表面和截齒上，降低巖體的破壞和加載效率。

在ANSYS 仿真計(jì)算過程中，在每個(gè)截割頭中都被設(shè)計(jì)為雙錐形和圓錐形的圓盤工具。在建立有限元模型和加載Pz、Py、Px的力計(jì)算中，設(shè)計(jì)策略類似于圓盤刀具的雙座結(jié)緊固。以圖5 為例，顯示出了截割頭三面體棱柱中雙向圓盤刀具直徑D=160 mm 的Mises準(zhǔn)則的等效應(yīng)力分布，將圓盤刀具固定在截割頭表面每一處需要接觸煤巖的位置。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，圖5-1 的最大等效應(yīng)力為115.8 MPa；圖5-2 的最大等效應(yīng)力為110.1 MPa；圖5-3 的最大等效應(yīng)力為110.2 MPa。雖然圖5-3 方案的最大等效應(yīng)力不是最小，但是其圓盤刀具根部沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，考慮到煤面破壞時(shí)應(yīng)力變形狀態(tài)的建模結(jié)果，將該設(shè)計(jì)的圖5-3 方案推薦用于實(shí)際煤礦開采工程中。

圖5 三種方案的等效應(yīng)力（Pa）分布示意圖

4 結(jié)語

根據(jù)分析結(jié)果可知，經(jīng)過優(yōu)化后節(jié)點(diǎn)緊固刀具盤的徑向Mises 等效應(yīng)力顯著降低了49 MPa。隨著對稱雙錐盤工具從不對稱的過渡，可以監(jiān)測減少區(qū)域設(shè)置等效應(yīng)力在雙座結(jié)緊固隨著最大應(yīng)力的普遍增加，在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)出50～120 MPa 的強(qiáng)度增加。結(jié)果表明，圓盤刀具錐形（φ=30°）和雙錐形（φ=25°+5°=30°）比雙錐形（φ=20°+10°=30°和φ=15°+15°=30°）更能減小井下煤巖的最大等效應(yīng)力和位移區(qū)域的尺寸，研究分析結(jié)果指向了圖5 中第三種圓盤刀具的選擇方案，與第二種方案相比，其特點(diǎn)具備剛性更高的固定螺母并不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)滿足具有兩個(gè)反向自由度結(jié)構(gòu)的要求，提出了利用三面體中的結(jié)緊固刀盤工具的技術(shù)。本文解決了掘進(jìn)機(jī)刀盤布置應(yīng)用決策復(fù)雜性和應(yīng)力變形狀態(tài)建模難度，研究結(jié)果可以擴(kuò)展掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，滿足國內(nèi)外煤礦企業(yè)的生產(chǎn)使用要求。