采煤机镐形截齿失效形式和强度分析

采煤机镐形截齿失效形式和强度分析

许燕茹

太原理工大学山西职业技术学院山西省030000

摘要：随着我国科学技术的进步，在我国各领域中的应用十分广泛。针对双滚筒采煤机镐形截齿的失效问题，首先分析了该种截齿的结构和常见失效形式，然后对截齿的受力组成进行了研究，在此基础上，利用ABAQUS有限元软件，分别对正常工况、钎焊松动工况和齿体磨损工况下的截齿应力特点和失效机理进行了研究，并提出了相应的截齿结构优化建议。

关键词：采煤机；截齿；失效；强度

引言

常用井下工作面煤炭采割设备有螺旋滚筒采煤机和掘进机，由于煤质和生产率等原因，我国煤矿企业广泛采用前者。螺旋滚筒采煤机的滚筒叶片上沿切向分布着不同数量的镐形截齿，采掘过程中截齿在滚筒带动下旋转并直接楔入煤岩体，使之产生裂纹并成片剥离。截齿工作环境复杂恶劣，高温、高湿、强振动，极易造成各种形式的截齿失效故障。据统计，我国煤矿企业每千吨煤炭的截齿消耗量为20个-100个，因此，截齿是滚筒采煤机上消耗量最大的易损件。同时，由于截齿磨损和失效将造成截割阻力增大，因此截齿的使用情况直接影响采煤机的生产效率、能耗、采煤成本和其它设备的安全性。本文将对采煤机镐形截齿的受力和不同应用条件下的失效机理等进行研究，为其使用、维护和设计提供有益借鉴。

1镐形截齿的组成及安装

对于常见的镐形截齿，硬质合金齿头与齿体通过钎焊连接在一起，齿头部分材质强度高、硬度大，可楔入和劈裂煤岩；齿体部分韧性高，综合力学性能较好，可承受较大冲击；齿座为普通铸钢件，焊接在滚筒端面及圆周上，主要将齿体与齿座联接在一起。截齿组成与失效形式采煤机截齿分为齿头和齿体两部分，齿头材质为硬度和耐磨性较好的硬质合金，齿体材质为韧性和强度较高的合金钢，齿头与齿体通过钎焊连接。截齿端部呈锥形，方便对煤岩的楔入;而齿柄部分，根据截齿的不同固定形式其结构分为底端卡圈型、内置卡簧型和摩擦卡簧型3种。本文将以结构较为简单的底端卡圈型截齿为研究对象，对其截割和失效进行分析研究。该种截齿直接安装在齿座内，通过底部安装的卡圈进行轴向固定。理论上，这种安装方式允许截齿在齿座内绕轴心旋转，并对齿尖起到自锐作用，而实际使用中，由于粉尘对安装间隙的堵塞和锈蚀等，截齿的自旋能力严重受阻。由于截齿在工作过程中承受偏载、冲击载荷等，容易出现各种形式的失效，生产实践中，常见失效形式有齿头碎裂、齿头丢失、安装松动、折断等，这些都对滚筒采煤机的正常采割造成严重影响。

2截齿落煤过程与受力分析

2.1截割及落煤过程

对于脆性及裂隙较多的煤岩，使用镐形截齿进行截割作业时，其落煤过程分为以下4个阶段:(1)弹性压入期:切向分布的齿尖与煤壁以一定的角度和速度发生接触，煤壁受到齿尖的非均匀压力作用，尖端位置最大，沿母线逐渐减小，截齿变形总体处于弹性阶段。(2)裂纹萌生期:随着截齿尖端的楔入，截齿周围接触部分的岩体开始受到较大的拉应力作用，当受力超过煤岩的抗拉强度时，其内部萌生撕断裂纹，同时煤岩深处产生斜向的剪应力和剪切裂纹。(3)压实核形成期:随着截齿的深入，初生裂纹逐渐扩展交汇，产生较小的煤岩碎粒，并被截齿压实，行成形状不规则的压实核，压实核不断扩大，并如刀刃般切入煤岩内部，进而产生更大的裂纹。(4)裂纹扩展和断裂期:截齿楔入深度不断增加，截割力增大，同时裂纹迅速扩展至煤岩外边沿，最终形成片状落煤，截割力骤然减小，截齿完成一次截割作业。

2.2截齿受力分析

镐形截齿以一定的角度和速度楔入煤岩，坚硬的截齿头可将煤岩局部粉碎，并向内压实，形成密实核，核心周围较大的压应力使煤岩内部产生裂纹，并不断扩展，最终使煤层剥落，形成片状落煤。在截割过程中，截齿受到垂直于煤层方向的截割阻力Z、平行于采煤机行进方向的推进阻力Y和垂直于煤壁的侧向力X的综合作用。根据文献所述，截齿所受3种作用力

Z=αΔt

Y=（0.5-0.8）Z

X=（0.1-0.2）Z

式中α———截割系数；

Δt———截割厚度。

3截齿疲劳分析

齿身折断是截齿失效的一种形式，它主要发生在截齿齿身。截齿截割坚硬岩石或包裹体夹杂物时，由于载荷加大，截齿受到交变应力的反复作用，经过一定的循环次数以后，在应力集中部位出现裂纹，裂纹在一定条件下扩展，最终突然断裂。采用UG/NX高级仿真对零件结构进行疲劳分析。在UG/NASTＲAN材料库中选择AISI_STEEL_4340合金钢来模拟截齿的材料，将LS－DYNA中计算求出的截割阻力加载到截齿上。疲劳寿命准则选择Smith－Watson－Topper准则，分析其疲劳寿命，截齿容易在齿身处出现疲劳折断。通过对截齿在刚开始产生裂纹时疲劳循环的次数进行统计，从而计算出疲劳寿命，最终疲劳寿命采用实际标量结果(出现裂纹之前的疲劳工作循环次数)来表示。对截齿工作面的疲劳寿命分析结果进行统计，切向安装角度为35°、40°、45°、50°时，截齿最小疲劳寿命分别为4.85×104、5.08×104、6.40×104和1.17×103次。

4截齿的有限元分析

4.1正常工况下的截齿受力

正常工况下，截齿整体受力最大Mises应力出现在齿头顶部区域，达到1373MPa，小于其强度极限，因此可完成对煤岩的正常截割。该部分的应力主要是在工作过程中产生的与煤岩的接触应力，分布相对集中，但由于齿头为硬质合金材料，因此可长期承受剧烈摩擦和冲击而不失效。齿体部分的应力最大Mises应力240.9MPa，出现在齿体根部区域，安全系数较高。另外，齿体材质42CrMo具有较好的综合力学性能，其强度和韧性均可保证齿体在正常工况下使用。

4.2钎焊松动工况下的截齿受力

截齿制造过程中，由于硬质合金齿头与普通合金材料齿体的材质差异较大，因此两者进行钎焊时难以获得理想的焊缝强度。同时，截齿在使用过程中，频繁与煤岩、矸石等发生冲击和摩擦，环境湿度大、振动大，因此，钎焊焊缝极易开裂失效。焊缝失效严重时，齿头将直接丢失，齿体与煤岩发生冲击损坏；焊缝仅开裂时，该工况下齿体受力分析：对于截齿整体而言，由于齿头部分仍可进行煤岩截割，因此齿头受力与正常工况基本相同，主要是局部的高强度接触应力。而对于齿体，钎焊松动工况下齿体受力最大应力点转移至齿头安装孔底部，最大应力577.4MPa，虽然仍处于安全受力状态，但此时齿头与齿体的连接更加不稳定，极易发生齿头丢失或齿体安装孔碎裂。

4.3齿体磨损工况下的截齿受力

截齿使用过程中，齿头楔入煤岩后，齿体前端同时深入碎裂煤岩内部，齿体与煤岩发生剧烈摩擦。使用一段时间后，齿体磨损工况下齿体受力在齿体前端区域逐渐磨损减薄。分析显示，该工况下齿体的最大应力点同样转移至齿头安装孔底部附近。随着磨损加剧，该区域的应力将持续增大，直至断裂失效。

5截齿结构优化

对于齿头与齿体的钎焊连接失效问题，应重点加强新的钎焊工艺研究，同时从寻找齿头与齿体最佳钎焊间隙等角度进行优化，最终提高焊缝强度和抗冲击性，防止发生齿头丢失和齿体损坏等故障。对于齿体前端磨损导致的强度降低问题，应从提高局部硬度、耐磨性等角度出发，采用堆焊耐磨层、局部淬火等工艺对齿体前端进行加强，延长齿体使用寿命。

结语

在对截齿常见结构形式和失效特点进行分析基础上，本文对采煤机镐形截齿的截割过程和受力特点进行了充分研究，并据此建立了截齿的有限元分析模型，通过对正常工况、齿头局部碎裂工况和齿头脱落工况下截齿各部分有限元模拟结果的讨论，在此基础上对截齿的维护提出了合理的建议。

参考文献:

[1]徐芳芳，程巨强.35CrMo截齿失效原因分析与预防［J］.煤矿机械，2016，37（11）：151-153.

[2]何泠.矿用截齿失效分析及工程应用研究［D］.太原：中北大学，2016.