采煤机滚筒镐型截齿的失效分析及研究

郭鹏宇

（永定庄煤业公司综采二队，山西 大同 037003）

引言

随着开采自动化技术的发展进步，采煤机开采的任务量不断增加，在提高开采效率的同时，对于采煤机截齿的要求也逐渐提高。截齿是进行煤岩截割的工具，镐型截齿是螺旋滚筒工作的刀具，在工作过程中，镐型截齿利用点接触的形式将煤岩压实切割，从而实现煤岩的开采。镐型截齿通过齿座安装于刀身上，结构简单，便于制造，工作时的截割角度小，比能耗小，可靠性高于扁形截齿，在采煤机中具有广泛的应用[1]。采煤机在工作过程中的大量作业，对截齿造成一定的磨损甚至失效，影响矿井的开采作业。采用有限元分析的方式，对镐型截齿的应力及变形进行分析，从而对其主要的失效形式进行研究分析，以提高截齿的使用寿命。

1 镐型截齿有限元分析模型的建立

镐型截齿的主要结构包括刀头和刀身两部分，刀身一般采用合金钢材质制成，刀头则常采用硬质合金制成，具有较好的强度和韧性。在使用过程中，将刀头镶嵌到刀身上，并采用合金进行焊接，保证刀头部分的强度韧性，并提高截齿的抗冲击性能。采用ANSYS有限元分析软件进行镐型截齿的应力变形分析，一般分为前处理、求解及后处理三个部分[2]，首先要建立截齿的结构模型。在ANSYS中进行截齿的建模相对复杂，操作环境麻烦，利用ANSYS与CAD软件间的直接接口技术，采用Pro/E建模软件进行截齿模型的建立，通过数据接口直接将模型以igs的文件格式导入到ANSYS中，进行模型的设置及前处理。

对于建立的截齿模型，设定截齿材质为硬质合金，有限单元类型选定为四面体单元，进行截齿的网格模型划分，刀头部位的受力作用较大，对刀头部位的网格进行加密处理，以提高有限元分析的精度[3]。网格划分处理后的截齿模型如图1所示。

图1 镐型截齿的网格划分模型

截齿在工作过程中受到煤岩的反作用力，在分析过程中，将刀头和刀身看作整体，截齿承受集中载荷的作用，主要作用于刀头的部位。镐型截齿在工作过程中，自身完全固定，将截齿的齿身及底面进行固定约束，对刀头表面的所有节点施加集中载荷的作用，由此对截齿的应力及变形进行分析[4]。

2 镐型截齿的有限元及失效分析

2.1 镐型截齿有限元求解及结果分析

对所建立的镐型截齿模型依据前处理设定的条件进行施加载荷运算，完成求解过程。采用后处理进行结果的查看及检查，经过运算分析得到镐型截齿的应力变化及变形分别如图2、下页图3所示。

从图2、图3中可以看出，截齿所受到的应力主要分布在刀头的位置，最大应力发生在截齿的中间即刀头的根部位置，最大应力值为375 MPa，其余部位的应力值较小，在根部位置存在一定的应力集中现象；截齿的最大应变为0.000 781 mm，发生在刀头的顶部位置，说明在截齿进行工作的过程中，截齿齿尖所发生的变形最大。

图2 镐型截齿应力变化分布图

图3 镐型截齿应变分布图

沿镐型截齿的纵轴对表面节点处的应力进行分析，得到如图4所示的变化曲线，即为镐型截齿应力相对Z轴的变化曲线，其中横轴为距刀身尾部的距离，纵轴为截齿的应力值。从图4中可以看出，截齿的应力曲线变化比较显著，在截齿尾部的应力值较小，基本在0值附近呈水平分布，在距截齿尾部约60 mm的位置处，应力值迅速增加至最大应力值，最终达到375 MPa，达到最大值后急剧下降，最大应力值发生在齿身的中部位置，距截齿尾部距离约为80 mm。此处受到集中载荷的作用，存在着应力集中，在使用过程中，极易引发齿身的折断，造成截齿的失效[5]。

图4 截齿应力值相对Z轴的变化曲线

2.2 镐型截齿的失效分析及改进

镐型截齿作为滚筒截割的刀具，在使用过程中发生失效时，要进行更换，以免对矿井的开采成本及效率造成影响。在实际使用过程中，截齿的失效形式主要包括截齿的磨损、刀头的脱落及崩刃、刀身的弯曲折断。针对镐型截齿的失效形式，应采取相应的改进措施，提高镐型截齿的可靠性及使用寿命，避免截齿的大量失效。

在进行煤岩的截割时，截齿承受较高的压力及冲击载荷，应选择合理的材料并进行一定的热处理工艺，在保证截齿表面耐磨性的同时，提高截齿材料的强度及冲击韧性[6]，并提高刀头的焊接质量，采用韧性较好的焊料，并通过选配的焊接方式，减小焊接过程中的间隙，提高刀头的强度；对于传统的焊接方式进行改进，可采用镶铸工艺提高刀头与截齿齿身的强度，且能够提高整体的韧性；在使用过程中，还应该依据截齿的材质及结构参数，合理选择工作参数，依据煤层的分布，合理调整截齿的角度等参数，实现截割比能耗的减小，从而可以减小截齿的磨损失效。

3 结语

镐型截齿是采煤机中广泛使用的截齿形式，由于截齿作为截割刀具直接作用于煤岩中，在使用过程中存在着大量的失效更换，造成了采煤作业成本的增加及效率的降低。针对镐型截齿的受力及变形采用ANSYS进行有限元分析，结果表明，在镐型截齿的齿身中部所受到的应力值最大，齿尖位置处发生的变形最大，容易造成截齿的齿身断裂及齿尖的磨损失效。针对截齿的失效形式，提出了一系列的改进措施，从而提高截齿的寿命和可靠性。