采煤机滚筒端盘截齿角对截割载荷特性的影响

2018-05-11关丽坤任学平

采矿与岩层控制工程学报 2018年2期

关丽坤，杨涛，任学平

(内蒙古科技大学机械工程学院，内蒙古包头 014010)

采煤机螺旋滚筒斜切进刀的瞬间，端盘截齿与煤岩接触并受到冲击，导致截齿破坏、脱落，滚筒载荷发生突变，影响截割部工作性能及其可靠性。尹力等[1]用离散化算法将单个截齿受力特性叠加，得到滚筒总体在不同方向上的载荷。李强，毛军等人[2]通过MATLAB研究采煤机在斜切进刀工况下滚筒载荷的变化特性，研究范围有局限性。两篇文献中缺少对单个截齿随滚筒转动瞬间截割煤岩的受力情况的研究。侯亮，冯继玲等人[3]以单个端盘截齿为研究对象，应用离散元模拟截齿在截煤过程中受到的合力。文献中针对截齿受到的合力进行分析，缺少对不同安装角度的截齿截割煤岩受三向力的特性研究。从上述文献可以看出，学者们侧重研究滚筒整体载荷特性，而忽略对单个端盘截齿载荷的研究。端盘截齿工作状态复杂多变，对其载荷特性的研究尤为重要。

基于以上人员的研究，本文利用ABAQUS仿真软件分析了在不同安装角度的截齿截割煤岩时，截齿的载荷特性，为端盘截齿的安装和设计提供理论依据。

1 端盘圆周截齿截割煤岩参数模型的建立

依据采煤机滚筒型号，配合U94截齿，如图1所示，圆周切向安装角β0=50°。如图2所示[4]，β1为二次旋转角，β2为轴向倾斜角，选用工况一：β1=2°，β2=6°；工况二：β1=5°，β2=10°；工况三：β1=8°，β2=15° 3种工况的端盘截齿作为研究对象，利用solidworks建立端盘截齿模型，截齿合金头锥角75°，齿身长166mm，滚筒直径2000mm。截齿齿尖选用硬质合金，齿身和端盘选用具有较高强度和韧性的42CrMo，具体材料参数见表1。

图1 圆周切向安装角

煤岩沉积后具有层理、节理及非均质性等特

图2 截齿空间角度

材料弹性模量/GPa泊松比齿尖硬质合金6500.22齿身、端盘42CrMo2000.30

点，是一种各向异性非匀质的脆性材料。为了准确模拟煤壁破碎过程，将采用ABAQUS软件中混凝土脆性破碎本构模型建立煤岩的物理模型[5]。模拟煤壁脆性破裂模型的参数见表2。

表2 煤岩脆性破裂模型参数

2 端盘圆周截齿截割煤岩的有限元仿真

建立简化的端盘截齿截割煤岩仿真模型，将端盘和截齿约束在同一参考点上设置为刚体研究截齿受到的三向力，根据实际工况将煤岩设置为四周固定的变形柔性体，施加端盘在X轴方向上的位移和绕Z轴的转动。滚筒转速为23r/min，所转1周的时间为2.64s，为了缩短计算时间，设置端盘转过1/4周，对应时间为0.33s，端盘牵引速度为2.14mm/s，在X方向的位移为0.7mm。对截齿齿尖与煤岩接触部位的网格进行精确划分，齿尖单元9131个，煤壁单元668760个，从而保证瞬时仿真计算的准确性。

截齿截割煤岩属于碰撞、冲击的研究范畴，采用面-面，通用接触(Explicit)来定义截齿与煤岩的接触。在初始分析步(Initial)和动力显示分析步(step-1)中分别设置场输出和历程输出以得到煤岩体被切削破坏时的应力，以及截齿所受到的截割载荷。

图3 截齿截割煤岩应力

如图3所示，利用ABAQUS可以准确地模拟煤岩的破碎过程并与Evan提出的煤岩破碎机理相符合，截齿以一定速度撞击煤壁，齿尖楔入煤岩单元中，使单元产生接触应力，随着接触面积增加，应力增大。当接触应力超过网格之间抗拉强度时，煤岩在截割力作用下破碎崩落，并且随着截齿轴向倾斜角和二次旋转角增加，崩落效果增强。

端盘在逆时针转动过程中截齿所受三向力如图4所示：x方向的截割阻力，y方向的牵引阻力，z方向的侧向阻力。

三向力在截齿截割过程中出现突然增大突然减小的现象，是由于截割过程阻力增大使得煤岩崩落，崩落后截齿与煤岩留有空隙会出现受力突然减小的现象，继续与煤岩接触，截齿受力突然增大，循环往复与实际工作情况相符合。

3 不同安装角截割煤岩受力分析

端盘截齿安装角不仅影响采煤机的破煤效率，而且对滚筒瞬时受力也有很大影响。截齿斜切入煤岩，随着轴向倾斜角和二次旋转角逐渐增大，有利于滚筒破煤，但安装角增大会出现齿柄与煤岩干涉的现象，从而导致截齿工作阻力增大，截齿过度损耗。

图4 截齿三向力曲线

为了得到截齿不同安装角截煤时的平均阻力，导出图4中的曲线odb文件到MATLAB软件中，从而得到截割煤岩过程中的平均阻力如表3所示。随着安装角的增大截齿所受牵引阻力和侧向阻力变化平稳，没有明显的增大趋势，但截割阻力没有变缓的趋势，相反一直在增加。β1=8°，β2=15°的截齿在0.18s截割阻力达到最大27.5kN，载荷波动比其他2种工况剧烈。可以看出安装角对截割阻力的影响远超过对牵引阻力和侧向阻力的影响。