采煤机镐型截齿在不同安装角度下的静力学性能分析

吴瑞仕

（晋能控股煤业集团仓储供应分公司，山西 大同 037000）

引言

在煤矿开采中采煤机截齿作为截割煤岩的主要元件，其性能的优劣对截割开采的效率及成煤的质量具有直接的影响[1]。由于煤矿井下开采环境的恶劣性，截齿的磨损及破损常有发生，对煤矿的开采效率及成本造成一定的影响。采煤机镐型截齿的安装角度不同，使得截齿在进行煤岩截割的过程中接触情况不同[2]，从而影响截齿的性能。针对采煤机镐型截齿不同安装角度受到的应力及应变进行分析，从而对镐型截齿安装角度的选择进行指导优化。

1 镐型截齿仿真分析模型的建立

采煤机的镐型截齿主要包括齿尖、齿身及齿柄部分，首先对镐型截齿进行三维模型的创建。依据某型号的镐型截齿为研究对象，采用Pro/e进行截齿三维模型的创建，并进行模型的修复整理[3]，将其导入到有限元分析软件HyperWorks中。

HyperWorks是集成度高的CAE分析软件[4]，具有常用的CAD数据格式接口，可直接导入模型，并可提供建模、可视分析、优化分析及多体仿真、制造仿真等。文中主要应用HyperWorks进行截齿模型的前处理，并进行求解运算，将结果进行后处理可视化分析。

对镐型截齿模型进行网格划分，在进行网格划分时，如果仅进行截齿结构的变形分析，则网格的数量可以少一些，这样可以减少仿真分析的计算量[5]；对镐型截齿的应力进行分析，则在精度相同的情况下，应选择较多的网格。采用实体单元进行网格划分，并对齿尖部分进行网格的细化划分，得到镐型截齿的网格划分模型如图1所示。

图1 镐型截齿网格模型

对截齿的材质进行设定，截齿主要材料为42CrMo，在软件中，新建材料卡片，选取各向同性材料，并42CrMo材料的参数进行设置[6]。镐型截齿的尾端位置安装于齿座上，限制截齿尾部的自由度，对不同安装角度下的截齿的性能进行分析。

2 不同安装角度镐型截齿的性能分析

截齿的旋转切向与截齿轴支架的夹角为安装角度，截齿的安装角度不同，则对煤岩破煤效果及截割阻力具有不同的影响。对不同安装角度下镐型截齿的性能进行分析，设定煤岩的截割深度为20 mm，截齿的安装角度分别为15°、45°及75°，煤层为韧性煤层进行截齿截割的性能分析[7]。

当安装角度为15°时，对采煤机截齿的三向力进行计算，并将三向力载荷围绕齿尖进行创建，构建此时的有限元模型。由此对截齿的应力及变形进行分析，得到如图2的应力分布图（变形图略）。从图2中可以看出，齿尖位置受到的应力最大，应力的变化阶梯较大，分布不均。截齿的安装角度较小，对煤岩的破壁效果差，形成的破落煤层少，截齿受到的破坏较大。从下页图3中可以看出，截齿的应变也以齿尖位置最大，应变分布不均，容易造成截齿磨损。

图2 安装角度为15°时的镐型截齿的应力分布

为进一步分析截齿应力应变的变化情况，对镐型截齿沿着轴线方向进行一系列样本点的设置，样本点编号由安装齿座部分向齿尖尖端由小到大进行编号，沿轴线方向共计分布2 000个样本点，对三种不同安装角度下的截齿的应力应变数据进行采集。保持其他参数不变，改变镐型截齿的安装角度，分别对三种不同安装角度下的截齿的应力及应变进行分析，对所得到的应力及应变结果进行对比，对样本点的应力应变变化进行作图，得到如图3、图4所示的应力及应变变化曲线。

从图3中可以看出，在三种不同的安装角度下，截齿的应力随取样点的变化趋势分布一致，随着样本点靠近齿尖位置应力逐渐增加。当截齿的安装角度为15°时所受到的应力值最大，当安装角度为75°时应力水平较低，而安装角度为45°时，截齿的应力值最小。同样从图4中可以看出，截齿的应变变化趋势随取样点的分布具有一致性，即齿尖处的应变量最大。不同安装角度下截齿的应变大小，以15°时的应变值最大，75°时的应变较低，而45°时的应变值最低。由此则在三种选定的安装角度下，45°安装角的时候截齿的应力应变值最低，此时截齿的性能最为优异，在进行截齿的设计及使用过程中，可据此对截齿的安装角度进行优化。

图3 三种不同安装角度下镐型截齿的应力变化曲线

图4 三种不同安装角度下镐型截齿的变形量变化曲线

3 结语

采煤机截齿是进行煤岩截割的主要元件，对于落煤的效果及截割效率具有重要的影响，同时，截齿受到煤岩复杂多变的影响，容易产生磨损及破损现象，影响采煤机的作业。截齿的安装角度不同，不仅对煤岩的截割效果产生影响，而且对自身的承载也具有重要的影响。选取采煤机镐型截齿的不同安装角度，采用有限元仿真分析的方式对其自身的应力应变静力学性能进行分析。结果表明，在三种不同的安装角度下，以45°时截齿的应力应变最小，且三者的应力应变趋势分布一致。在进行截齿的设计及使用过程中，可据此对截齿的安装角度进行优化，从而改善截齿的受力，提高采煤机的可靠性。