截齿与齿座装配体的有限元分析.pdf

第 3 1卷第 0 9期 2 0 1 0年 o 9月 煤 矿 机械 C o a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo 1 ． 3 l No ．O 9 S e p ． 2 01 0 截齿与齿座装配体 的有限元分析 潘先峰 。张安宁 ． 李晓丽 安徽理工大学 机械工程学院 ． 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘 要 介绍掘进机工作时单个截齿的受力模型．通过有限元分析软件对截齿与齿座的装配 体进行应力分析 ， 了解其应力分布规律 ． 得 出截齿截割煤岩时最大应力 出现的位置。所得结果为进 一 步 改善截 齿 与齿座 的 受力状 况 ， 为解 决硬 质合 金 刀头脱 落 、 折 损 和齿座 脱 落奠 定 了基础 。 关键词 掘进机 ；截齿 齿座；有限元分析应力 中图分 类号 T D 4 2 1 ． 5 文献标 志 码 A 文章 编号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 90 0 7 60 3 Fi ni t e El e m e nt Ana l y s i s o f Pi c k a n d Pe de s t a l ’ S As s e m bl y P AN Xi a n - f e n g ， ZHANG An - n i n g。LI Xi a o - l i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e s i n g l e p i c k f o r c e mo d e l o f r o a d h e a d e r wa s i n t r o d u c e d ，t h r o u g h t h e F EA s o f t w a r e t o t h e p i c k a n d p e d e s t a l a s s e mb l y f o r s t r e s s a n a l y s i s 。find o u t t h e s t r e s s d i s t r i b ut i o n ，s h o w t he g r e a t e s t s t r e s s p o s i t i o n w h e n c u t t i n g c o a l a n d r o c k s ．T h e r e s u l t p r o v i d e s t h e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r f u r t h e r i mp r o v e t h e p i c k a n d p e d e s t a l ’ S s t r e s s c o n d i t i o n ． s o l v e t h e c e me n t e d c a r b i d e a n d t h e p e d e s t a l b r o k e o r f a l l o f f ． Ke y wo r d s r o a d h e a d e r ； p i c k ； p e d e s t a l ； F E A s t e s s 0 引 言 悬臂式掘进机是矿 山建设和煤矿巷道掘进 的 主要机 械设备 ． 截割头是掘进机的工作机构 ． 主要 功能是破碎和分离煤层 截齿和齿座是截割头的重 要组成部分 ． 镐形截齿 由刀杆和安装在刀杆上的刀 头两部分组成 ， 在截割过程中 ， 其承受来 自煤岩 、 夹 石层 、 包裹体等的外载荷 ， 由于其工作条件差 、 受力 复杂 、 冲击载荷大 ， 这对截齿 和齿座 的强度 和结构 等提 出了更高的要求 ． 因此对截齿和齿座进行应力 分析 ． 了解其截割煤岩时的应力分 布规律 ． 为进一 步研究 掘进机截割头 的结构设计和参数优化提供 了理论依据 1 截齿 与齿座 的结构及 力 学模型 本文截齿 的形式是镐形截齿 ． 截齿和齿座的实 体 图由三维制 图软件 S o l i d w o r k s 建立 ．截齿和齿座 的三维 图形 如 图 1 所 示 。 ◆ 图 1 截齿与齿座三维图 截齿在截割煤 岩 的过程 中的受 力状态如 图 2 所 示 。 图 2截齿受力简图 则该处进人塑性状态 ． 顶梁加载处 和外侧的副肋板 受 力也 比较 大 。 0 6 0 2 E 柏 8 2 o E 椰 】 8 1 9 ’ 0 l E 埘3 ’ E O gA 2 2 E 0 q 4 E 4 2 E 0 9 图 6单 侧 受 载 V 0 n Mi s e s应 力分 布 云 图 5结 语 超静定液压支架是一种新型的支架 本文通过 对其顶梁进行有限元分析 ． 得到顶梁 内部 的应力分 布 。由应力分 布云图可以得知 ， 该支架的应力分布 更加均匀 ． 这样更 能有效地利用材料 ， 但是该 支架 采用销轴与立柱联接 ．使得销孔处 的应力 比较集 中 在今后 的设计中应当对此加以改进 以提高该支 架在使用中的可靠性和寿命 。 参考文献 [ 1 ] 煤炭科学 研究总 院． 液压 支架通用技 术条件 [ S ] ． 中华人 民共和 国煤炭行业标准． 1 9 9 2 ． [ 2 ] 综采技术手册 编委会． 综采技术手册 [ K] ． 北 京 煤炭工业出版 社 ． 2 0 0 1 ． [ 3 ] 朱伯 芳． 有限单元 法原理 与应 用 [ M] ． 北京 中 国水 利水 电出版 社 ． 1 9 9 8 ． [ 4 ] 王国法． 液压支架技术 [ M] ． 北京 煤炭 工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． 作者 简介刘红 国 1 9 8 4 一 ， 山东 济宁人 ， 中国矿业 大学机电工 程学院 2 0 0 8级研究生 ， 主要研究方 向 机械设计 及理论 ， 电子信箱 l u i s 1 2 3 1 2 6 ． c o m． 责任编辑 王海英 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 0 6 第 3 1 卷第0 9 期 截齿与齿座装配体 的有限元分析潘先峰 。 等 V o 1 ． 3 1 N o ． 0 9 根据常用 的计算截齿载荷的方法 。截煤时． 作 用于锐利截齿的截割阻力 由 1 牵引阻力y 0 y 。 2 侧 向 力 0 z 导 C 3 h- -t 3 L ， 凡 式中 A工作面煤层存在矿压显现时截割阻 抗的平均值 ， N ／ ra m 6 ． 一 截 齿工作部分宽度 ，可取直径 的一 半 ， b p 1 d； 镐齿齿柄直径 平 均切 削厚 度 后 广一 考虑煤脆塑性的系数 ， 脆性取 1 ， 黏性取 。 O ． 8 5 t 平均截线间距 一 外露 自由表面影响系数 ，当截齿工 作宽度 b p 1 0 1 5 mm．截线距 由 2 5 m m 增 加 到 3 5 mm 时 ， k 由 0 ． 6 8减 ， J 、 到 0 ． 5 2 ；当 b 2 0 3 0 mm时 。 k由 0 ． 7 4减小到 0 ． 5 8 后 ．． 一 截齿前刃面形状影响系数 ，前刃面为 平面 ， 取 ．j } 1 ， 椭圆形取 后 击 0 ． 9 ～ 0 ． 9 5 ， 楔 形取 0 ． 8 5 ～ 0 ． 9 ； Ii} 一考虑截齿截角 对截割 比能耗的影 响 系数 。 按表 1 选 取 后 切削图的影响系数 。 顺序式排列 重 复排列 时取 k c l ， 棋 盘式排列 交 叉排 列 时取 k c 1 ． 2 5 旷一矿压影响系数 ， 一般取 Ji} o l 0 ． 7 ； 截齿相对于牵引方向的安装角， o ； C 、 C 、 C 厂切削 厚度 的影 响 系数 。 表 1 6与 k 的关系 结果更加准确。故本文截齿与齿座的实体图直接 由 S o l i d w o r k s 软件建立 利用 C o s m O S w o r k s 对其进行静力分析 ．截齿选 用材料为硬质合金 ． 弹性模量 E x 6 4 0 G P a 、 泊松 比 0 ． 2 1 ； 刀杆与齿座选用材料 4 0 C r Mo ， 弹性模量 E 2 0 0 G P a 、 泊松 比／ z 0 ． 3 。 3 ． 2划 分 网格 与加 载 在对模型进行网格划分 时． 由于截齿承受冲击 载荷 ， 受力复杂 ， 对其细化网格 ， 在刀杆与齿座配合 处． 也对其细化网格 。 共划分 2 6 4 7 9个单元 、 6 2 4 6 5 个节点 见 图 3 。 图 3截齿与齿座的网格划分与加载 根据截齿承受的载荷 ． 最后可以归纳为截割阻 力 、 牵 引阻力 y 0 、 侧 向力 3个 分力 ， 在截 齿截 割 过程 中． 这 3 个 分力使刀头承受较大的压应力和弯 曲载荷。因此 ， 为简化分析 ， 作如下假设 1 不考虑截齿在齿座中的转动 ； 2 将截齿 的硬质合金刀头与刀杆看作是刚性 连接 3 截齿承受 的载荷均为集 中载荷 ， 且集 中在 刀头 部分 4 将截齿与齿座看作是一个整体。 同时 ． 对截齿 与齿座相接触 的部分 ． 可 以通过 C o s m o s w o r k s 管理器 中右键单击“ 接触／ 缝 隙” ． 在 弹 出的菜单 中选择“ 定义相接触面组” ． 在其属性管理 器中的“ 类型” 选择“ 无穿透” 。对齿座与截割头焊接 位置进行全约束 3 ． 3求 解和 结果 分析 加载完成后求解 ． 截齿与齿座受力变形所得 的 结 果 如 图 4所 示 ． 从 图中 可 以看 出截 齿 在 实 际工 作 截割煤岩过程 中所受载荷的部位 ． 由此可以看 出截 齿 的较大受力处在刀头部位 ． 而且其变形量也 比较 大 ． 最 大变 形量 为 0 ． o 3 8 1 5 m m 根据式 1 、 式 2 、 式 3 ， 取 E B J 一 1 6 0型掘进 机截割头上的一个截齿 ，截割煤体时进行计算 ． 得 出 g o 一1 0 k N， Y o 5 k N， Xo 1 2 0 0 N。 3 截齿与齿座的有限元分析 在有限元分析中． 利用 F E A求解 问题需要 3个 步骤 预处理 、 求解和后处理 ， 即建 立几何模 型 、 定 义材料属性 、 划分网格 。 加载 、 求解和结果分析 。 3 ． 1 模 型 的建 立与 定 义材 料 由于 C o s m o s w o r k s 软件提供多场、多组件 的复 杂装配分析 ，可使分析能够更好地模拟真实情况 ． 一 7 7 一 模型名称 装配体 l 算 例 名 称 算 例 1 田 解 类 型 静 态 节 应 力 应 力 1 变 形 比 例 1 V o n Mi s e s N ／ m0 蠢； ．79 8 1 e 柚 0 0 0 88 嚣 2 l ． 9 8 8 e 。。 0 0 ； 器 ； { ； ；娶 ； 裟栅7 _2 8 0 7 e o 0 8 V o 1 ． 3 1 N o ． 0 9 截齿与齿座装配体的有限元分析潘先峰． 等 第 3 1 卷第 0 9 期 从截齿与齿座应力云图可以看 出． 截齿齿尖周 围应力较大． 最大的应力值为 2 9 8 MP a ． 这是 由于截 齿在截割煤岩的过程中 ． 截齿齿尖周围处所受应力 集中力产生 的． 这 同时也是刀头折损 的一个重要原 因 从刀头到刀杆方向其应力逐渐减小 ． 当快到达 截齿与齿座接触位置时又逐渐增大 ． 接触部分最大 应力为 2 4 0 MP a ．而最小应力出现在刀杆根部和齿 座上部 ． 最小应力为 2 ． 8 MP a 同时齿座与截割头焊 接的部分其应力为 1 6 2 M P a ． 相对来说比较大， 这与 实际工作中的主要齿座脱落的形式一致 通过 图 5的安全 系数 云 图可 以知道 ． 最 小 的安 全系数是 2 ． 0 8 1 ． 位置在刀头部位 ． 其各个部分的强 度是足够的． 是安全的。图 6为在截齿纵切面上从 齿尖开始所探测的节点的位置和应力变化 曲线图。 从图中可以看第 1 个极高点位于截齿齿尖周 围。 再 向后又有一个极值点 ． 该点位于截齿与齿座的接触 部分 的拐角处 ．其能够一定程度上导致齿座 的磨 损 g g 鬈 带 图 5截齿与齿座加载后安全系数 云图 4结语 本文通过对掘进机截齿 的受力分析 ． 求得其截 割阻力 、 牵 引阻力 ， 侧向力 ， 用 C o s m o s w o r k s 进行有 ◆◆-◆ ◆- ◆一◆一◆一 - ‘ - ◆-◆-◆_◆一 ◆‘ 限元分析。通过应力分析可知 1 由结果可 以得到截齿与齿座的应力分布规 律 ．大部分的应力集 中在齿尖与齿座的根部周围 ， 与实际的受力情形是一致 的． 即齿尖断裂和齿座脱 落 ． 为以后改善受力状况 以及解决硬质合金和齿座 的脱落提供 了理论基础 2 截齿在截割煤岩 的过程 中 ， 最大应力及变 形在硬质合金刀头上 ．这对截齿 的消耗很不利 ， 同 时齿 座应力 主要集 中在截割头头体与齿座 的焊缝 周围 因此 ． 提高焊缝 的焊接工艺和改善齿座的形 状非常必要 罨 凝 神 6 0 3 节 图 6 截齿沿纵切表面上节点的等效应力的变化曲线 参考 文献 [ 1 ] 黄 日恒． 悬臂式掘进V t [ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社， 1 9 9 6 ． [ 2 ] 李晓豁． 掘进机截割的关键技术研究 [ M] ． 北京 机械工业 出版社， 2 O o 7 ． [ 3 ] 宁仲 良． 镐形截齿 的应 力分布规律 [ J ] ． 西安科技 学院报， 2 0 0 3 ， 2 3 3 2 3 5 - 2 3 7 ． f 4 ] 江洪． S o l i d w o r k s有限元 分析实例 解析 [ M] ． 北京 机械工业 出版 社． 2 0 0 7 ． 作者简介 潘先峰 1 9 8 3 一 ， 安徽萧 县人 ， 安徽理工大学机械工 程学 院硕士研究生 ． 研究方 向 矿山机械 ． 电子信箱x f p a n 2 0 0 8 1 2 6 ． 责任编辑 王海英收稿 日期 2 0 1 0 0 5 2 7 ◆ ◆- ◆。◆-◆ ◆。◆。◆-◆◆- ◆。◆‘ 华泰公司水仓下开采解放 2万 t 优质煤 山东新汶矿业集团华泰矿业公 司创新实施“ 水仓下开采” 技术 ． 成功解放 近 2万 t 优质煤 ， 创造经济效益 9 0 0余万元 。 今年 2月份 。 华泰公司采至 5 4 0 3西工作面 ， 该面可采煤量约为 2万 t ， 煤层平 均厚度 2 n l ， 煤质优 良。 但是 就在这个采区上 方有一个采区大水仓 这个水仓是该公司 3个采区的生产水汇集处 。 储水量约为 3 0 0 c m3 。 在对水仓容量及排水量细致的测量 和计算后 ． 该公 司首先对排水系统进行了优化 。 加强了对水位 、 水压的观测 、 检查 。 加大 了排放水力度 ， 使工作面上方的水位 、 水 压始终控制在安全界限内 ， 保证仓下开采安全 。其次 ， 他们 结合跨采老巷 、 过水仓作业实际 ， 对工作面生产系统 、 运输系统等进 行了优化改造 对工作 面设备进行了重新 布置 ． 将原来的下拉运煤方式改为上拉运煤 ， 节省 了一部带式输送机 和一部刮板输送 机 ． 减少了设备和资金投入的同时 ， 减少 了岗位和人员设置 ， 提高了运输效率 ， 确保 了工作面 的正常推进。 但 由于条件 的变化 ． 该工作面在推进到还剩下 8 0 0 0 t 可采煤量时 ， 工作面上出现一个落差 3 ． 5 ～ 4 m 的大断层 ， 水仓下开 采加上过大断层开采 ． 开采难度进一步加 大。 为最大限度地 回收资源 ， 该公 司又结合现场实际 ， 制定了完善的过断层优化措施 ， 加强 了顶板管理措施 ． 采取提前贴煤 壁扩 帮、 套使 叮 r 型钢 、 双柱支护 、 留存煤柱等方法 ， 强化支护效果。配套实施 了“ 扇形开采” 技术 ． 把断层从 中间断开 ， 放弃上半段岩层部分 ， 在下半段上巷位置安装 了一部刮板输送机 ， 采取上头刮板输送机头不动 ， 只调 下头刮板输送机尾的方式展开扇形开采 ． 使调尾扇形开采弧度达到了 8 0 o 多 。这样 ， 既节省 了重复拆 卸 、 安装等工作程序 ， 又提 高了开采效率 经过 9 0 d努力 ． 成功将 2万 t 优质煤安全采出 ， 最大限度地回收利用 了煤炭资源 ， 实现了安全 、 效益双丰收 ， 为 水仓下过大断层开采创造 了科学 的技术实践经验。 周 峰李菊红 一 78一 配例汁 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