海德拉刀齿截割煤岩的齿形结构力学特性分析

罗俊生

摘要：为了探究海德拉刀齿齿形结构对截割煤岩的力学特性，建立刀齿的力学模型。利用ABAQUS分别在圆周切向安装角、轴向倾斜角和二次旋转角中设计不同安装角度参数仿真刀齿截割煤岩。结果表明：刀齿截割煤岩过程中，靠近齿座口的齿柄处易发生断裂，刀齿的合金头处所受弯矩最大。在圆周切向安装角为25°时，截割力最小。煤岩的截槽宽度随轴向倾斜角的增大而增大，且在轴向倾斜角为35°时，截割阻力最大。二次旋转角为15°时，截割阻力最大。

Abstract： In order to explore the mechanical characteristics of the Hydera blade tooth structure on the cutting coal rock， a mechanical model of the blade tooth was established. ABAQUS was used to design different installation angle parameters in the circumferential tangential installation angle， axial tilt angle and secondary rotation angle to simulate the cutting of coal and rock. The results show that during the cutting of coal rock by the cutter teeth， the tooth shank near the mouth of the tooth seat is prone to break， and the alloy head of the cutter tooth is subjected to the largest bending moment. When the circumferential tangential installation angle is 25°， the cutting force is minimum. The cutting groove width of coal rock increases with the increase of the axial tilt angle， and when the axial tilt angle is 35°， the cutting resistance is the largest. When the secondary rotation angle is 15°， the cutting resistance is the largest.

关键词：齿形结构;ABAQUS;截割阻力;力学特性

0  引言

刀型截齿作为与煤岩直接发生接触而产生相互作用的刀具，其结构尺寸对采煤机的生产率和截齿寿命具有重要意义。谢克淼[1]利用ABAQUS仿真软件对三种不同齿形结构的刀齿进行静力学受力模拟，得到三种型号刀齿的应力应变的规律，并改进其结构。曾庆良等[2]运用拓扑优化理论，对掘进机镐型齿的刀杆进行拓扑优化，以达到使镐齿轻量化，提高截齿寿命的强度的优化目标。王振华[3]以刀型齿的失效原因出发，改进刀型齿。并将改进后的刀齿进行实验测试，结果表明刀齿刀柄受集中力较小，刀齿受力均匀。司鹏飞等[4]基于截齿破碎煤岩的原理，对镐型齿破碎煤岩进行受力分析，并对其强度进行分析。王春华等[5]在自制的单齿直线截割试验台上分别对镐型齿和刀型齿进行截煤实验，研究表明截齿的三向载荷具有一定程度上的相似性。在刀型齿和镐型齿切割同一厚度下的煤岩，镐型所受到的阻力要遠大于刀型截齿。高魁东等[6]通过数学建模、计算机模拟和正交试验对影响截齿和齿座寿命的因素进行分析。John P，Loui，U.M.Rao Karanam[7]等人利用有限元模拟截齿切割煤岩的动态过程，探究岩石破碎机理和截齿所受的阻力大小。研究结果为，当切削前角为正时，岩石破碎主要由拉和剪切共同破坏引起。当切削前角为负时，破坏形式主要是剪切破坏。笔者探究海德拉刀型齿形结构在不同的安装角下截割煤岩的力学特性，利用ABAQUS进行仿真截割煤岩的动态过程，分析其力学特性。

1  有限元模型的建立

有限元的三维模型建立有煤岩和刀型刀齿两部分，先利用CATIA三维建模功能，再将三维模型导入到ABAQUS中，并完成相关的参数设置，从而建立有限元模型。

1.1 刀型刀齿的安装角

端盘是滚筒采煤机的一部分，位于滚筒采煤机端部，用于安装刀型刀齿，与刀型刀齿共同截割煤岩，工作环境比较恶劣。刀型刀齿在端盘上的安装角度有圆周切向安装角α、轴向倾斜角β和二次旋转角γ。端盘刀形刀齿的圆周切向安装角决定刀型刀齿的受力情况以及煤岩与刀齿前刃面的接触形式如图1所示。截齿的圆周切向安装角一般在4°～25°，轴向倾斜角一般在0°～35°，二次旋转角一般在0°～15°。

1.2 刀型齿所受的作用力

刀齿主要由合金头和切削面与煤岩发生相互作用。刀齿合金头随着牵引速度楔入煤岩，随转速切削煤岩。煤岩在切削与挤压作用中发生弹性变形，从而达到破碎煤岩的目的。为了探究海德拉刀齿的齿形结构截割煤岩的力学特性关系，建立其截割煤岩的安装角理论模型。

1.2.1 圆周切向安装角

圆周切向安装角决定着单个刀齿截割煤岩的受力状态和大小，且刀齿截割煤岩的前提是刀齿齿身不与煤岩发生干涉。55#海德拉刀齿的辅助水射流部分伸出齿身外的长度较大，容易与煤岩发生干涉。图2表示刀齿在圆周切向安装角下截割煤岩的截面图，并以刀齿运动轨迹线半径为原点建立直角坐标系。

在直角坐标系中分别建立合金头区域和刀齿辅助射流部分的运动轨迹方程。具体轨迹模型图如图3所示。

当刀齿破碎煤岩时，其切削面与煤岩水平面夹角大于等于零。本文的研究对象海德拉55号刀齿，因刀齿的切削面与齿柄中轴面不平行，依据刀齿的尺寸参数，在切向安装角中零度角为4°时建立图4简化模型。在三角形ABC中分别求解AB和AC的轨迹半径长度。

当dAB=dAC时，合金头运动轨迹与刀齿辅助射流部分运动轨迹重合。设采煤机螺旋滚筒直径为1400mm，可得到当圆周切向角为25°时是海德拉55号刀齿与煤岩干涉的极限状态。因此，海德拉55号刀齿截割煤岩不发生干涉的条件下圆周切向安装角的范围是4°～25°。

1.2.2 轴向倾斜角

轴向倾斜角的大小主要由端盘上截齿的截距决定，依靠调节齿座倾角获得。端盘截割宽度一般为70～130mm，最大倾角的截齿应伸出端面35～50mm[9]。刀齿在不同圆周切向安装角下的截面投影长度也不相同。刀齿的圆周切向角安装范围是4°～25°，将海德拉刀齿的尺寸结构参数带入刀齿截割宽度约束条件可得刀型齿轴向倾斜角的范围是0°～35°。

1.2.3 二次次旋转角

端盘比较接近煤壁，所以端盘上的截齿工作环境非常恶劣。二次旋转角的主要作用是为了齿座不与截割面的煤岩发生干涉，尽量远离截割面，一般约5°～10°，最大不宜超过15°左右[10]。当截齿不进行二次旋转角偏转时，在截齿上的冲击位置和摩擦位置会发生在刀齿侧面处，不仅会影响截齿寿命还会影响截齿的截割效率。

1.3 煤岩

煤岩采用的是弹性扩展的Drucker-Prager塑性本构模型。根据圣维南原理，煤岩的尺寸应设为煤岩与刀齿接触面积的5～10倍。所以，把煤岩的尺寸设置为130mm×100mm×200mm，截齿在煤岩上的运动轨迹弧长为200.69mm。截齿与煤岩接触部分需要精确的网格划分，便于精确计算。故在刀齿运动时与煤岩接触部分沿弧线进行分区。分区的截面尺寸大小为50mm×55mm，煤岩的抗压强度设为28MPa。

1.3.1 刀型刀齿有限元模型

在CATIA中建好刀型刀齿的三维模型，再导入到ABAQUS的part模块，在属性模块对刀型刀齿设置材料属性。分别对齿体和合金头的材料、密度、杨氏模量设置相对应的材料参数。

1.3.2 有限元模型参数设置

在assembly模块中利用下旋转和平移命令设置刀型刀齿的不同安装角。在step模块中创建时间为0.07s的分析步，并设置相应的场输出和历程输出。在相互作用模块中创建相互作用属性和创建相互作用。在载荷模块中，创建刀齿和煤岩相应的边界条件，本文设置的初始切削厚度为15mm，在网格模块中分别对刀型刀齿和煤岩进行划分网格。

2  不同安装角的力学性能

2.1 圆周切向安装角

截齿的圆周切向安装角一般在4°～25°，以4°、10°、15°、20°、25°不同的圆周切向安装角为单因素变量，探究在不同切向安装角下齿形结构的力学性能。建立刀齿截割煤岩的三向载荷力的均值、峰值均值及标准差，如表1所示。

由表1可知，在圆周切向角为4°中，截割力数值均值最大。圆周切向角为4°时，载荷压强最大。随着切向安装角的增加，牵引力数值大小也随之增加。在圆周切向角在4°时，刀齿的截割力数值最大。

根据仿真数据中，在不同切向角下截割力出现最大值的时间点中绘制出刀齿应力分布云图如图5所示。

由图5应力云图可知，随着圆周切向安装角的增大，刀齿的应力集中由下端面齿柄前端部移向刀齿上端面齿柄前端部。这是因为随着圆周切向安装角的增大，刀齿从主要由刀齿切面破碎煤岩到主要由合金头区域和前刃面破碎煤岩。

2.2 轴向倾斜角

分别建立以轴向倾斜角分别为0°、5°、15°、20°、35°的刀型齿截割煤岩仿真模型，根据仿真结果建立三向载荷力统计表，如表2所示。

由图表2可知，截割力和牵引力均值数值在轴向倾斜角为35°时最大。在不同轴向倾斜角下截割力出现最大值的时间点中绘制出刀齿应力分布云图，如图6所示。

由图6应力应变图中可知，随轴向倾斜角的增加，刀齿齿柄下端面出现应力集中范围变大，易发生断裂。刀齿齿柄上端面应力集中范围变小。

2.3 二次旋转角

分别建立以二次旋转角分别为0°、5°、8°、10°、15°的刀型齿截割煤岩仿真模型，根据仿真结果建立二次旋转角三向载荷力统计表，如表3所示。

由表3可知，在二次旋转角为15°时，截割力有最大值。由牽引力时域图中可知，牵引力随二次旋转角的增大，载荷振幅逐渐减小。在不同轴向倾斜角下截割力出现最大值的时间点中绘制出刀齿应力分布云图，如图7所示。

由图7的应力应变图中可知，相比与圆周切向安装角、轴向倾斜角，随二次旋转角的增加，刀齿应力应变分布较均匀。

3  结论

①通过刀齿截割煤岩的应力云图可以得出海德拉刀齿切削面区域所受的弯矩最大，齿座口处齿柄上表面应力应变较大。②海德拉刀齿圆周切向安装角为25°时，截割力最小。随着轴向倾斜角的增大，煤岩的截槽宽度也增大。截割力在轴向倾斜角为35°时达到最大。二次旋转角为15°时，截割力有最大值。

参考文献：

[1]谢克淼.滚筒采煤机刀型截齿强度分析及改进[D].阜新：辽宁工程技术大学，2013.

[2]曾庆良，王新超，刘晋霞.掘进机镐形截齿的结构优化分析[J].煤炭技术，2016，35（10）：242-244.

[3]王振华.采煤机截齿失效机理与改进技术分析[J].机械管理开发，2019，34（10）：281-282.

[4]司鹏飞，李晋虎.采煤机镐形截齿不同工况下受力和强度的分析[J].机械管理开发，2019，34（10）：92-94.

[5]王春华.截齿截割作用下煤体变形破坏规律研究[D].阜新：辽宁工程技术大学，2004：118-130.

[6]GaoKuiDong， Du ChangLong， Song Yong，etc. Research on the Factors of the Abnormal Wear of Shearer' Pick Holder[J]. Advanced Science，2012，13（1）：739-743.

[7]JohnP LouiUmrao， Karanam，Numerical Studies on Chip Formation in Drag-Pick Cutting of Rocks[J]. Geotechnical and Geological Engineering， 2012， 30（1）： 145-161.

[8]别隆，А.И.等著，王兴祚译.煤炭切削原理[M].北京：中国工业出版社，1965：118-130.

[9]李锋，刘志毅.现代采掘机械[M].北京：煤炭工业出版社，2010：128-130.

[10]刘春生.滚筒式采煤机工作机构[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010：120-130.