采煤機(jī)截齒截割破巖能力分析研究

1、采煤機(jī)截齒截割破巖能力分析研究衛(wèi)曉勇潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)有限責(zé)任公司摘要：木文以鎬形截齒為例分析了截齒截割煤巖體的過程以及截割過程中截齒的受力 情況。從截齒的磨損、截齒安裝角度、截割厚度和截割速度角度分析影響截割性 能的因素，發(fā)現(xiàn)合適的截齒安裝角度、合理的截割厚度和截割深度是影響破巖效 率的關(guān)鍵因素，較大的截割速度雖然會提高生產(chǎn)效率，但會加大截割阻力，加 快截齒磨損。關(guān)鍵詞：鎬形截齒;截割過程;截齒受力;截割性能;收稿日期：2017-6-12analysis and research on cutting rock breakability of shearer cuttingwei xiaoyo

2、nglu ' an group lu ning coal industry co., ltd.;abstract：shearer is widely used in coal mine procluction. the process of coal cutting is basically the process of cutting coal and rock. in this paper, the process of cutting the rock and rock mass and the force of the cut ter in the cutting proces

3、s are analyzed. the factors affecting the cutting performanee are analyzed from the angle of cutting, picking angle, cutting thickncss and cutting speed. it is found that the appropriate cutting angle, reasonable cutting thickness and cutting depth are the factors that affect the rock breaking effic

4、iency the key factor, the larger cutting speed will increase the production efficiency, but will increase the cutting resistance, to speed up the picking wear.keyword：pick picking; cutting process; cutting force; cutting performsnee;received： 2017-6-12 我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展離不開煤炭能源的大力支持，傳統(tǒng)的煤炭開采方式已不能 滿足生產(chǎn)的需求，綜合機(jī)械

5、化采煤已成為主要手段山。采煤機(jī)是采煤工作面的 重要牛產(chǎn)設(shè)備，其可靠性、安全性以及持續(xù)工作的能力是保證產(chǎn)量的重要性能指 標(biāo)及1。由于煤礦井下工作環(huán)境惡劣，采煤機(jī)長期處于復(fù)雜的工作環(huán)境中，在破 碎巖石過程屮受到動載荷以及煤巖強(qiáng)度不均勻性的影響，致使采煤機(jī)的截齒出 現(xiàn)過載而損壞的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響煤礦的安全生產(chǎn)回_。而且截齒往往是采煤機(jī)上 的易損耗零件，同時也是更換量最大的零件匕1。因此，為保證采煤機(jī)安全可靠 地工作，就必須對釆煤機(jī)截齒截割煤巖體的過程進(jìn)行分析，找出影響截齒穩(wěn)定 性的影響因素，進(jìn)而指導(dǎo)煤礦實(shí)際生產(chǎn)。1截齒截煤過程及受力分析根據(jù)采煤機(jī)截齒的形狀，截齒可以分為2類童1： (1)刀形截齒；(2

6、)鎬形截齒。 2類截齒各有優(yōu)缺點(diǎn)，對于不同的煤層特性應(yīng)選用不同形狀的截齒。木文根據(jù)研 究需要，以鎬形截齒為主要研究對象。1.1截齒割煤過程截齒在滾筒的帶動下沖擊式破碎煤巖，依據(jù)巖石破碎學(xué)，其破碎煤巖過程主要 分為4個階段凹。1. 1. 1煤的變形階段截齒以一定的角度進(jìn)入煤巖體，作用于煤巖體的壓力呈現(xiàn)不均勻分布狀態(tài)，周 圍所形成的應(yīng)力場同樣為復(fù)雜的復(fù)合應(yīng)力場。根據(jù)布希洛克理論，截齒與煤巖的 接觸而上并不會出現(xiàn)最大剪應(yīng)力，而是發(fā)生在截隔割力合力的方向、且稍低于接 觸面的某一個位置上。一般來說，巖體抗壓不抗剪，當(dāng)壓應(yīng)力還未達(dá)到煤巖破壞 的極限值時，剪應(yīng)力往往己經(jīng)達(dá)到了煤巖破壞的極限值。同時，截齒與煤

7、巖接觸 面的周圍邊界處存在的徑向拉應(yīng)力，促使煤巖表面產(chǎn)生裂紋。1.1. 2裂紋產(chǎn)生階段當(dāng)截齒位置從ii運(yùn)動到iii時，截割力繼續(xù)增加，作用在巖石的拉應(yīng)力達(dá)到并大 于巖石抗拉強(qiáng)度時，巖石將會在拉應(yīng)力的作用下被拉開，從而岀現(xiàn)赫茲裂紋。當(dāng) 作用在接觸點(diǎn)上的剪應(yīng)力大于巖石的抗剪強(qiáng)度時，該處的巖石會錯開，而岀現(xiàn) 剪切裂紋。1.1.3壓實(shí)核的形成階段當(dāng)截齒位置從iii運(yùn)動到iv時，截割力線性增加。由于剪切作用造成微裂紋應(yīng)力集 中。微裂紋的形成、發(fā)展和交匯，形成粉碎體，在截齒的運(yùn)動擠壓下形成密實(shí)核, 形成的壓力作用于截齒齒尖周圍的巖壁上，其中一部分巖粉在截齒的高速旋轉(zhuǎn) 下，從巖石與齒前的空隙中射流出去。1.

8、1.4煤巖崩落階段當(dāng)截齒位置從iv運(yùn)動到v時，截割力線性増加。由于煤巖體的封閉，切削核短時 間內(nèi)難以射出去，對煤巖體的作用力迅速增加，超過某定值時，巖石塊體崩裂， 此時截齒瞬間切入煤巖體，從而完成截割破碎巖石的過程。1. 2截齒受力分析鎬形截齒的形狀為圓錐帶尖刀頭，不同于刀形截齒利用切削刃截割煤巖，鎬形 截齒沒有切削刃，它是利用齒尖的集屮力侵入煤巖體，截齒截割煤巖體時會遇 到煤巖體對截齒的反作用力，阻礙截齒破碎煤巖體。因此，將截齒上的阻力分為 前刃面上的截割阻力z,后刃面上的牽引阻力y,側(cè)刃面上的側(cè)向力x,如圖1 所示。進(jìn)給方向圖1截齒受力示意圖下載原圖 從圖1可以得到截割頭上第i個截齒運(yùn)動到

9、第j個位置時所受到的切割力，切割 力的值與下列因素為正相關(guān)關(guān)系:所切割巖體的接觸強(qiáng)度大小、鎬形截齒類型影 響因子、鎬形截齒幾何參數(shù)影響系數(shù)、刀頭直徑人小的影響系數(shù)、第i個鎬形截 齒截割時截距、第i個鎬形齒位于截割頭第j個工作地點(diǎn)時所切削的厚度以及鎬 形截齒后刃面所磨鈍的面積所截割平面上產(chǎn)生的投影面積。有關(guān)學(xué)者對截齒截割時的截割阻力進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，截割阻力并不 是固定不變的，具有波動性，如圖2所示。a段，巖體彈性變形階段;b段巖體產(chǎn)生微裂紋;c段巖體形成密實(shí)核;d段密實(shí)核 逐漸變??；c段密實(shí)核逐漸再次變大;f段巖體破壞。pzi圖2截齒截割巖體時受力情況下載原圖由于實(shí)際巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層理

10、結(jié)構(gòu)隨機(jī)分布，不確定性因素較大，單個截齒破 巖時，截齒與巖體的作用力和能量分布呈現(xiàn)不連續(xù)性。2截齒截割性能影響因素截齒是用于破碎煤巖的刀具，但由于煤巖自身復(fù)雜的力學(xué)特性，這些原因都使 得截齒在截割煤巖的過程中受損嚴(yán)重，在整個的工作中，刀具更換量非常大， 因此，降低截齒的失效，延長截齒的使用壽命是很有意義的。2. 1截齒磨損 煤巖對截齒的磨損展丁磨料磨損，大多數(shù)的鎬形截齒是由碩質(zhì)合金頭和齒體兩 部分組成。但在實(shí)際的使用過程中，刀頭磨損不嚴(yán)重，但齒體的磨損卻很嚴(yán)重， 使得它對刀頭的支撐強(qiáng)度下降，最終導(dǎo)致刀頭發(fā)牛脫落，因此截齒的設(shè)計要求 齒體有較高的沖擊韌性和強(qiáng)度，通常情況下，鎬形截齒侵入巖體深度較

11、小，如 果侵入深度超過40価，截齒齒尖容易被截槽包住，使摩擦阻力增大，加快截齒 磨損。并且當(dāng)截齒變鈍以后，刃面變成弧形面，巖體與截齒的接觸面積增大，截 齒底部的巖石在碾壓與摩擦作用下破碎成粉狀，巖粉量增加，使截齒磨損更加 嚴(yán)重，相應(yīng)的接觸應(yīng)力與摩擦力也將增大，增大截割巖體的阻力和破巖能耗。2. 2截槽的形狀截齒侵入巖體后形成截槽面形狀，構(gòu)成了截槽斷面大小和t由面的數(shù)量。截齒的 截割力與截槽斷面面積呈正相關(guān)，隨自由面的增加而降低。截槽形狀不同，所需 截割力也不同，以開放式截槽為例，其截槽形狀系數(shù)k表示為：k=zxzj式中:zi為任意截槽所需的平均截割力;zj為開放式截槽所需的平均截割力。2. 3

12、截割速度截齒的使用壽命受截割速度的影響較人，摩擦系數(shù)與截割速度是造成截齒溫度 升高的重要因素。各種硬質(zhì)合金頭都有其臨界溫度，超過臨界溫度，硬質(zhì)合金就 會岀現(xiàn)軟化現(xiàn)象，加劇截齒磨損。而最佳的截割速度則需耍根據(jù)截割巖體的物理 力學(xué)特性而定，巖體硬度越大、研磨性越大，和應(yīng)的截割速度取最小值，反之則 取最大值。此外，合理的截割厚度以及合適的截齒排列可以使截割能耗降低，提 高截割的煤巖量。研究表明，截齒截割巖體厚度與采煤機(jī)的牽引速度呈正相關(guān), 當(dāng)牽引速度變化時，截割厚度也隨之變化，但不能確保合理的截割厚度。2. 4截齒安裝角度鎬形截齒的破巖部分為一圓錐體，截齒的軸線與煤巖體呈一角度布置，如圖3 所示。圖

13、3鎬形截齒安裝示意圖下載原圖vp-牽引速度；v-截割速度；b-截齒安裝角度采煤機(jī)滾筒以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，截齒的安裝角度會影響截割阻力，進(jìn)而影響 采煤效果。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，鎬形截齒安裝角為50°時，截割阻力最小。3結(jié)論(1) 本文以鎬形截齒為例分析了截齒截割煤巖體的過程以及截齒的受力情況。(2) 從截齒的磨損、截齒安裝角度、截割厚度和截割速度角度分析截割性能的影 響因素，合適的截齒安裝角度、合理的截割厚度和截割深度是影響破巖效率的關(guān) 鍵因素，較大的截割速度雖然會提高生產(chǎn)效率，但會加大截割阻力，加快截齒 磨損。參考文獻(xiàn)1王洪英.采煤機(jī)鎬形齒隨機(jī)載荷的算法分析j機(jī)械工程師，2007 (6) : 16-17.2 張見全.采煤機(jī)截齒耐磨堆焊