采煤机镐形截齿的失效形式及结构强度的分析

许 峰

（大同煤矿集团有限责任公司安全管理监察局， 山西 大同 037003）

引言

就双滚筒采煤机来讲，其机身配置有可上下移动的滚筒与摇臂，而截齿则需要依据相关规律来进行安装，使其处于滚筒的前端，作用是截割煤岩和落煤。该采煤机运行的环境较为恶劣，截齿的受力不均匀，并因长时间的冲击、磨损等出现了截齿遗失或失效的状况，对采煤机的运行造成了严重的影响。因此，必须深入研究造成截齿失效的各个因素及机理，从而对截齿的研制、选择、维护等一系列进行改良[1]。

1 镐形截齿的构成及安装

如图1 所示，其为镐形截齿的构成及安装图。

对于应用最频繁的镐形截齿，其硬质合金齿头与齿体的连接可以采用钎焊，齿头所采用的材料具备较高强度、较大硬度，可以劈裂或嵌入煤岩中；齿体则具备较高的韧性、较好的力学性能，可以承受较大的荷载；齿座所运用的材料为普通铸钢材，该部分主要安装于滚筒部位，与齿座和齿体形成连接[2]。

图1 镐形截齿的构成及安装图

2 采煤机截齿常见的失效形式

目前，主要有两种因素会影响到镐形截齿的使用寿命，分别为环境因素和自身因素。

环境因素主要包含井下掘进煤层的顶板及底板岩石的结构、煤层的夹矸量等等，其含矸量及硬度越大，截齿所受到的磨损和冲击也将越大。

自身因素主要包含截齿的材料、结构、安装部位等等，若其设计具备合理性，则可以极大降低截齿受力的不均匀性。

实际上，因截齿工作所处的环境较为特殊，其失效的常见形式主要为齿体受损及遗失、整体折断等，不管是哪种形式的损坏，都会涉及截割操作，进而对采煤机的正常运作及生产的效率造成极大的影响，导致开采的成本不断增加。对于该状况，本文针对截齿的受力进行了深入研究，并将截齿在各个工况下存在的应力特征进行了模拟，从而对导致截齿出现各种失效问题的机理进行研究[3]。

3 截齿的受力分析

镐形截齿是基于某个角度和速度来嵌入到煤岩中，齿头具备较高的强度，可以将煤体进行局部破碎，并逐渐形成一种密实核，其周围存在的应力将会导致煤体出现裂缝，并逐渐扩展，最终导致片状落煤的产生。在工作的过程中，截齿将会受到与煤层方向相垂直的截割阻力FZ、与机体行进方向相平行的推进阻力FY和与煤壁相垂直的侧向力FX的影响。根据之前的研究可知，截齿主要受到以下三种作用力

式中：α 为截割系数；b为截割厚度。

4 截齿的有限元研究

4.1 有限元模型的建立

4.1.1 截齿模型

下页图2 所表示的是本文研究中所采用截齿的尺寸，由于齿体与齿头所使用的材料存在着较大的差别，因此应当建立针对性较强的模型和设定材料的各个属性。另外，本文选择齿体来开展研究，因此根据齿体上端所属的相关条件来分析齿体和齿座的受力，并进行模拟，不需要单独针对齿座来创建模型。

图2 截齿尺寸（单位：mm）

选择通用型、大型的有限元软件来开展研究，齿头与齿体的结构都是回转体，因此可以在该软件的模型板块中直接产生，之后再实施装配。

4.1.2 材料属性

针对齿头与齿体两个部件，分别在软件中设置其所使用材料的属性，其参数如表1 所示。

表1 齿头与齿体的材料属性表

4.1.3 约束及载荷

处于正常工况之下，齿体与齿头之间的连接是利用钎焊实现，因此在两者的安装处进行相应的约束，促使其成为一体。这种设置形式仍然可以在齿体受损的状况下使用。但是在钎焊不稳的状况下，只需要在齿头与齿体之间设置相应的条件，不需要再进行其他的连接[4]。

这三个方向上的负荷主要处于齿头的局部受力区域，与齿顶相距3～4 mm 的圆锥面中，需运用相应的方法来进行加载。本研究中，截齿在三个方向FX、FY和FZ中所受到的荷载分别为2 kN、8.5 kN 和10 kN。

4.2 正常工况下的截齿受力

在这种工况下，截齿的受力详见图3，Mises 应力的最大值产生于齿头的顶部，其数值为1 057 MPa，该数值低于极限强度值，因此可以实现有效的截割工作。该部分所受到的应力是运行过程中与煤岩之间形成的接触应力，其分布较为集中，但是因齿头所使用的材料为硬质合金，因此可以在不断的摩擦中保持效用。

齿体的应力详见图4，Mises 应力最大为270.3 MPa，产生于齿体的底部，具备较高的安全系数。

此外，齿体所采用的材质具有较强的力学性能，其韧性与强度都可以确保齿体在正常工况下应用[5]。

图3 正常工况下截齿受力（MPa）云图

图4 正常工况下齿体受力（MPa）云图

4.3 钎焊松动工况下的截齿受力

在加工截齿的时候，由于齿体所用材料为普通合金，齿头所用材料为硬质合金，这两种材料的属性存在较大差别，因此在进行钎焊过程中难以获得较高的焊缝强度。同时，在使用过程中，截齿常常会与煤岩等发生撞击，因此，应用钎焊所形成的焊缝极易出现裂缝而失效。当出现了严重的失效问题时，齿头将会直接丢失，齿体与煤岩之间会产生严重的撞击。

就截齿来讲，由于齿头可以开展有效的截割工作，因此齿头可以保持与正常工况下相同的受力，主要存在强度较高的接触应力，可能出现破裂现象，在该工况下的受力状况详见下页图5。而对于齿体而言，最大应力的部位将逐渐转移到齿头安装孔的底端，为1 766 MPa，尽管依旧处于安全受力的状态，但是此时的齿头与齿体不具有稳定的连接，极易遗失齿头或者导致齿体破碎[6]。

4.4 齿体磨损工况下的截齿受力

在使用截齿的过程中，当齿头嵌入到煤体之后，齿体前部也会深入到煤岩内部进行破碎，齿体与煤岩之间会出现剧烈的撞击。在经过一定时间的使用之后，齿体在该工况下的受力状况详见下页图6，齿体前部因受到磨损而导致其厚度不断减少。根据分析可知，此时齿体形成最大应力的部位会逐渐转移到齿头安装孔的底端。随着磨损状况的不断加深，该区域之内的应力会不断增加，直到失去效用[7]。

图5 齿头局部碎裂工况下的受力（MPa）云图

图6 齿体磨损工况下的受力（MPa）云图

5 截齿结构的改良

为了有效处理齿体与齿头之间连接失效的问题，应当积极探索全新的钎焊技术，同时通过探索齿体与齿头之间的全新钎焊技术来实施优化，以增强焊接缝的强度与抗冲击性，避免遗失和损坏齿头。

针对因齿体前方受损而产生的强度降低问题，应当基于硬度及耐磨度的提升，运用有效的方法加强齿体的前端，例如局部淬火等，使齿体的使用年限得以延长[8]。