采煤机钻式采煤截齿不同安装角度的受力分析

陈 萌

（山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿， 山西 吕梁 033602）

引言

钻式采煤机是在薄煤层、松软煤层开采及煤柱回收开采过程中广泛使用的采煤设备，钻式采煤机沿水平方向布置在巷道内，通过不断加长钻杆向煤层深处开采。在钻式采煤作业过程中，特别是保护层煤层硬度较大时，截齿受到的阻力作用较大，截齿的磨损较严重[1]。镐形截齿是常用的截齿类型，齿尖采用硬质合金制成，具有一定的强度和耐磨性，通过钎焊的方式安装在齿体内，齿柄安装在齿座内可以自由转动，实现自锐。截齿安装的角度不同，在截割过程中受到的截割力作用不同，造成截齿磨损情况不同[2]。采用离散元仿真模拟的方式对不同安装角度下的截齿受力进行分析，从而确定适宜的截齿安装角度，减小截齿的磨损，提高钻式采煤的效率。

1 截齿截割煤岩模型的构建

钻式采煤机截齿有端盘和筋板两种安装形式，对筋板截齿安装的角度进行分析。钻式采煤机截齿的安装角度包括切削角和旋转角两个参数表示，如图1 所示，切削角表示截齿的轴线和齿尖运动轨迹之间的夹角，旋转角表示截齿轴线和钻头轴线之间的夹角[3]。切削角改变截齿截割煤岩的位置，旋转角改变筋板截齿的钻进能力，使钻头更好地进行钻进。对截齿的安装角度进行分析，截割筋板截齿的特点，对两种不同的角度参数进行模拟。

图1 截齿安装角度示意图

采用PFC3D 离散元分析的方式对截齿截割的过程模拟，PFC3D 具有强大的逻辑推理性，可以直接建立球形颗粒模型，并创建颗粒之间的联系，PFC3D 可以在计算过程中进行干预，及时发现错误，提高分析的效率。在PFC3D 软件中建立镐形截齿的模型，简化单元格的数量进行网格划分处理。煤岩的模型采用均匀刚性的颗粒组成，设定模型的尺寸为400 mm×400 mm×50 mm，煤岩中心为直径300 mm 的钻孔，截齿的截割厚度为15 mm，煤岩截割模型表面固定，得到截割煤岩的模型如图2 所示[4]。设定截齿的切削角分别为45°、42°、40°、38°，旋转角分别为25°、30°、35°、40°，两两组合共16种不同工况的模拟分析。

图2 煤岩截割模型（单位：mm）

2 截齿不同安装角度的受力模拟分析

对截齿的受力进行分析，提取受力分析的结果，为准确描述截齿的受力状态，对截齿受力采用平铺展开的形式进行展示，不同的受力作用采用不同的颜色表示。如下页图3 所示为切削角为38°、旋转角为25°时截齿的受力图，图中蓝色的区域表示作用力较小或作用力小于1 N，浅蓝色表示作用力为1～6 N 的作用力，黄色表示9～11 N 的作用力，橘黄色表示11～13 N 的作用力，红色表示大于13 N 的作用力。从图3 中可以看出，截齿的受力作用由齿尖向着齿身部分逐渐递减，红色区域主要集中在合金头的一定范围内，红色区域对应齿身的受力也相对较大。截齿的磨损区域主要集中在合金头和截齿的上半部分，因此主要针对这一部分进行分析。由此对16 种不同工况下的截齿受力作用进行分析，经过分析可知，在不同的工况下，截齿的受力均由齿尖向着齿身减小，合金头的受力作用最大，且分布不均，与煤岩接触的一侧受力较大；在切削角一定的条件下，则旋转角越大截齿的表面受力越大；在旋转角一定的条件下，随着切削角的变化，截齿的头部和截齿齿身的受力差异较大[5]。截齿与煤岩接触表面的受力区域相似，随着旋转角度的增加，受到的作用力也随之增加，在截割过程中容易造成截齿的磨损；截割产生的煤岩颗粒在钻孔的底部有所残留堆积，对截齿的背面易造成划痕磨损，影响截齿的寿命。

图3 切削角38°、旋转角25°时截齿受力图

截齿的磨损除与截齿表面的受力相关之外，在截齿的展开图中还与截齿表面的网格受到的最大值相关。网格的受力越大，则越容易造成截齿的磨损，对不同工况下截齿的表面网格受到的最大的作用力进行统计，得到如图4 所示的曲线图。从图4 中可以看出，随着切削角的增加，4 种不同旋转角截齿表面的网格受到的最大作用力值呈现先增加后减小的趋势，在截齿的切削角为42°时达到最大值；4 条曲线中，随着旋转角的增加，截齿表面的网格受到的最大作用力值呈增加的趋势，在旋转角为25°时，截齿表面的网格受到的最大作用力值最小，然后呈现递增的趋势。

图4 截齿表面的网格受到的最大作用力值变化曲线

3 结论

不同的安装角度下的截齿受力均由截齿的合金头到齿身逐渐减小，合金头受到的作用力较大，且与煤岩接触的一侧作用力较大；随着切削角的增加，4种不同旋转角截齿表面的网格受到的最大作用力值呈现先增加后减小的趋势；随着旋转角的增加，截齿表面的网格受到的最大作用力值呈增加的趋势。通过对截齿不同安装角度的受力分析，可以为截齿应用过程中的参数选取提供依据，从而减小截齿的受力，减小截齿的磨损，提高截齿的寿命。