基于截槽非对称条件镐形截齿的截割力学模型.pdf

第卷第期煤炭学报年月文章编号：（）基于截槽非对称条件镐形截齿的截割力学模型刘春生，靳立红（黑龙江科技学院机械工程学院，黑龙江哈尔滨）摘要：针对多齿重复截割、截槽非对称的实际截割条件，建立了非对称截槽的截割力学分析模型和数学模型，分析了截割深度与崩裂角的理论和实验关系，并提出了采煤机滚筒叶片截齿轴向倾斜布置的理论依据和倾斜角度的取值范围，为滚筒截割性能的分析，尤其对硬煤截割滚筒的截齿设计和截齿安装姿态参数诸如水平旋转角、切向安装角、轴向倾斜角的确定具有理论指导意义关键词：采煤机；镐形截齿；截割机理；非对称截槽；力学模型中图分类号：文献标识码：收稿日期：责任编辑：许书阁基金项目：黑龙江省科技计划资助项目（）作者简介：刘春生（），男，山东牟平人，教授，硕士生导师：，：，（，）：，：；镐形截齿已广泛用于采掘机械上，其截割力学模型是截齿设计、截齿排列以及提高截割能力的理论基础目前在国内外学者提出的几种镐形截齿截割力学模型中，最具代表性的是英国学者提出的镐形截齿基本力学模型，该模型是在理想的单齿平面截割、截槽对称条件下给出的实际上无论是滚筒式采煤机、部分断面掘进机还是连续采煤机的工作机构都是多齿有规律布置、有次序的重复截割，图为典型的截齿顺序式排列，由此可看出，叶片上截齿的截割次序是由端盘到出煤口（采空区侧），故形成了非对称截槽，两侧崩裂角度（截深）和两侧崩裂长度都不同，截槽外侧崩裂线大于内侧崩裂线，对于硬煤和韧性煤崩落角较小的条件下，截齿轴向倾斜一角度（向G25煤口），有利于截割，目前采煤机滚筒叶片上的截齿大都是零度齿，但由于，则单从减小截齿磨损的角度，可直观地看到叶片上的截齿轴向倾斜角度为（），且截齿最大外廓锥角（），（）在截齿受力状态、齿煤炭学报年第卷图多齿排列重复截割条件下的截槽形式柄与齿套配合间隙不合适，会使镐形截齿不能自转，截齿严重磨损（刀柄头部磨偏），金属头脱落；截槽不对称的崩裂角与截齿硬质合金刀头和齿柄端部外廓锥角不匹配，导致与崩落侧面挤压、摩擦因此，镐形截齿的截割理论截煤力学模型和截齿负载特征是评价滚筒性能的基础非对称截槽是由截齿排列形式所决定的，而非对称截槽参数决定了截齿布置角度，如镐形齿切向安装角、水平旋转角、轴向倾斜角等，对截齿的受力有很大的影响，目前，在进行镐形截齿的受力分析计算时，基本是在理想的单齿平面截割、截槽对称条件下或应用刀型截齿的力学公式进行等效计算本文在的基本力学模型基础上，给出了多齿重复截割、非对称截槽条件下的力学模型，并提出了叶片上的零角度齿变为轴向负角度倾斜布置理论依据和倾斜角度的理论取值范围镐形截齿破煤机理英国学者给出的截煤模型如图（）所示，为理想的平面截割，且截槽对称然而，实际滚筒上的截齿是重复截割，即等效截割深度不一样，截齿非对称，形成截齿两侧崩裂长度有较大差异，如图（）所示，镐形截齿以速度楔入煤岩体，随着镐形齿的楔入，煤岩体被粉碎且圆锥面不断在扩大在圆孔周围作用崩落压应力，煤岩体内形成张力，随楔入深度的增加，煤岩体内的张力也不断增大若在范围内的煤岩体张力的合力，均大于，处拉应力的合力时，会使，处出现裂缝，煤岩层开始断裂，形成破裂面与垂直面夹角为和崩落角破碎下来的非对称扇形体图镐形截齿破煤机理非对称截槽的受力分析如图（）所示，对于非对称截槽崩落，存在一个倾斜角，使得，崩裂线同时达到崩裂应力，则有等效力学分析模型，假设圆锥齿尖以倾斜角楔入煤岩，并以截齿轴线为受力分离体如图所示，左右两侧非对称的“”形崩裂体模型，并以左、右部分崩落煤岩体为极限受力分离体，得“”形分离体受力的力矩平衡方程（分别对，两点取力矩），即（），（），式中，为沿半径方向的爆破力，其作用方向与开裂石的夹角分别为（），（），大小第期刘春生等：基于截槽非对称条件镐形截齿的截割力学模型是由作用在圆孔圆周界上压应力所产生在方向的投影合力，即（）（）（）；（）（）（）；，为作用在，开裂面上的拉力，大小为开裂长度上煤岩张应力的合力，方向垂直于开裂线，实际上圆孔的半径比截深，小，（），（）；为作用在左右分界面上的拉应力图镐形截齿非对称截割受力分析由莱姆无限介质是一个圆柱孔的弹性应力理论，断裂面优先延伸的观点，得其弹性应力方程为，（），（）由此得崩落煤体受力方程为（）（）（），（）（）（）（）（）假设在圆孔周围作用的崩落压应力，由式（）和式（）消去，整理得的隐函方程为（）（），（）式中，()()；为方便计算和突出主要参数的关系，对式（）和式（）作如下简化：，对的影响很小，则（）（）（），（）（）（）（），（）()()（）对于硬煤、韧性煤，当依据实验数据给定，和时：，煤炭学报年第卷图与截槽参数的变化规律，由式（）和式（）求得的非常接近，当基本确定时，如，的变化范围很小，其规律如图所示，爆破合力爆破合力是指沿半径方向的压力，合力，即左右两侧崩落体合为一体，其合力的大小和方向为（），（）()()()()将，代入上式整理得()()()，（）()断裂崩裂角的理论值上述的计算是先给定和（单截割实验测试数据），下面按最小能量断裂原理给出和在发生断裂时，产生的径向位移所消耗的能量最小原则（产生压力和发生位移时需要的能量），此时能量是压力和位移的乘积，由弹性理论可知，位移与压力成比例，断裂的能量与成正比，当（），因，即时有最小值，求得断裂时和，由式（）和式（）得()()()，()()()，则有()()，()，()()，()，由式（）得()()