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摘要：掘进机的截割头作为关键部件，直接影响机器的整体性能。截齿分布、截齿数目等因素对截割效率、截齿的寿命及截割性能影响很大。采用SolidWorks建立截割头模型并使用仿真对新型59把截齿截割头的建模以及结构进行有限元分析研究，找出截割头的应力分布规律，并不断改进模型，使其在正常工作状态下所受的应力较小，且安全系数较大，满足材料的强度条件，能够适应工作要求。新型59把截齿截割头掘进机具有较强的实用价值，在开发应用方面具有一定的前景市场，可以有效节约设计成本和提高设计效率。
关键词：截割头；截齿；SolidWorks；仿真；有限元分析
中图分类号：TD421文献标志码：A
[WT]文章编号：1672-1098（2012）04-0044-03
作者简介：唐琼（1973-），女，湖北麻城人，副教授，硕士，主要从事机械制造及自动化方面的教学与研究工作。
截割头的工作性能在一定程度上决定了掘进机的整体性能，截割头的截齿分布、截割深度等因素对截割效率、截齿的寿命及截割性能影响很大。随着掘进机的功率增大，截割头的体积增大，截齿数目也有所增大。从现有的掘进机截齿数目来看，三一重工集团生产的EBH200S型号掘进机其截齿数有42把，凯盛公司生产的EBH160型号掘进其机截齿数有35把。
本次设计的新型掘进机截齿总数为59把，齿数较多，与其他型号的掘进机差异较大，对其进行分析和研究是很有必要的。可以为研究掘进机的相关人员提供一定的参考和指导作用。
1截割头的结构与截齿布置
掘进机的截割头体外形主要是由几段不同曲线“球冠+圆锥+圆柱”组成。整体光滑过渡，可避免产生应力集中现象。
截齿为镐形，截齿通过齿套安装在齿座上，可自由旋转。采用SolidWorks绘制的三维实体如图1所示。
通过SolidWorks绘制的截割头其截齿分布三维图如图2所示。
2截齿受力计算
在掘进机截割头截割的工作过程当中，掘进机的截割头是以绕其自身轴线旋转以及其悬臂的水平摆动产生的复合运动来截割煤岩的。研究表明，掘进机截割头旋转一圈时，截齿在参与截割的时间大约只有半周左右，并且在截齿截割的过程当中，通常其切屑厚度也是在不断变化的（见图3）。
掘进机截割头在工作时其中截割头上的截齿只有一部分处于截割状态，大部分处于摆动截割状态。因此，对单个截齿在0～π位置时的X向侧向阻力、Y向牵引阻力和Z向截割阻力的模拟如图4所示。
转速/（r·min-1）
假设掘进机工况较为恶劣，实际工况下，在0～π范围内掘进机工作的截齿齿数为30个，通过图4可以看出，工作过程中单个截齿的受力是由切屑厚度来决定的，切屑厚度又和截齿在工作时的截割状态位置有关联，同时，截齿在π/2处时受到的力最大：其中截割阻力为21.2kN，侧向阻力为7.62kN，牵引阻力为11.9kN。其它位置上截齿的受力大小也是通过图4计算出来的，表1是其中一条螺旋线截齿三个力的大小[1]。
3截割头有限元分析
3.1PLC定义材料和约束
首先，定义材料：截齿其刀头的材料为硬质合金钢YG28，弹性模量 =640GPa、泊松比μ=0.21；截割头上的齿座和刀杆材料选用高强度合金结构钢20CrNiMo，其弹性模量 =200GPa、泊松比μ=0.3。头体材料为铸钢ZG230-430，其弹性模量 =206GPa、泊松比μ=0.29。
因为截齿通过齿套安装在截齿上，且可以360度旋转，因此需要定义它们的接触面性质。在定义相接触面组时，齿套安装在齿座时，需要借助Simulation管理器中的“接触/缝隙”，在“接触类型”选项中，选择为“结合”，加摩擦系数为0.15。截齿与齿套之间在定义它们之间的相接触面组时，也需要借助Simulation管理器中的“接触/缝隙”，在“接触类型”选项中，选择为“无穿透”；最后对其进行约束，在截割头头体和传动轴位置进行全约束[2]。
3.2PLC截齿网格划分载荷施加
网格划分前首先简化模型，把不受力的截齿压缩，这样可以节约运算时间，同时还可以节约计算机资源，更加细化关键部位如截齿和齿座。对一些相接处的面也可以细化，比如截齿和齿座的接触面，这样结果更加准确。共划分118872个单元、29689个节点。
截齿载荷按一般的研究方法分为侧向阻力X、牵引阻力Y和截割阻力Z，按前面的计算方法计算出这三个力之后对应施加在截齿上。
3.3求解和结果分析
通过Simulation运算算例得出截割头的应力和安全系数如图5。
从图5中可以看出，整个截割头的应力均较小，主要的应力集中在截齿尖侧面的受压位置上。头体应力较小均在100MPa以下，齿座应力均在160MPa以下。最大应力在截齿尖侧面，约为192.9MPa，安全系数最小为6.04，满足设计要求。且通过参阅材料并与其它现有的截割头受力分析的研究材料相比较，新型设计的59截齿截割头最大应力相对较小，安全系数较大，整体性能较其它齿数的截割头更为优越[3]。
4结语
通过对新型59把截齿截割头的建模以及结构有限元分析研究，可以得出其在正常工作状态下所受的应力较小，且安全系数较大，满足材料的强度条件，能够适应工作要求。同时通过与现有其它齿数的截割头应力和安全系数对比，可以看出59把截齿更加安全可靠，具有很大的开发生产价值。
不足点在于齿数较多，制造和安装难度均比截齿数较少的截割头大。因此，该产品可以考虑在开采条件恶劣，岩石煤层硬度大的场合应用。总体而言，新型59把截齿截割头掘进机具有较强的实用价值，在开发应用方面具有一定的前景市场，能够为掘进机行业的开发研制提供一定的参考价值。
参考文献：
[1]潘先锋，张安宁，徐刚.截齿与齿座装配体的有限元分析[J].煤矿机械，2010（9）：76-78.
[2]江洪.SolidWorks有限元分析实例解析[M].北京：机械业出版社，2007：8-200.
[3]叶修梓，陈超祥.SolidWorksSimulation基础教程[M].北京：机械工业出版社，2006：35-100.
（责任编辑：李丽，范君）
关键词：截割头；截齿；SolidWorks；仿真；有限元分析
中图分类号：TD421文献标志码：A
[WT]文章编号：1672-1098（2012）04-0044-03
作者简介：唐琼（1973-），女，湖北麻城人，副教授，硕士，主要从事机械制造及自动化方面的教学与研究工作。
截割头的工作性能在一定程度上决定了掘进机的整体性能，截割头的截齿分布、截割深度等因素对截割效率、截齿的寿命及截割性能影响很大。随着掘进机的功率增大，截割头的体积增大，截齿数目也有所增大。从现有的掘进机截齿数目来看，三一重工集团生产的EBH200S型号掘进机其截齿数有42把，凯盛公司生产的EBH160型号掘进其机截齿数有35把。
本次设计的新型掘进机截齿总数为59把，齿数较多，与其他型号的掘进机差异较大，对其进行分析和研究是很有必要的。可以为研究掘进机的相关人员提供一定的参考和指导作用。
1截割头的结构与截齿布置
掘进机的截割头体外形主要是由几段不同曲线“球冠+圆锥+圆柱”组成。整体光滑过渡，可避免产生应力集中现象。
截齿为镐形，截齿通过齿套安装在齿座上，可自由旋转。采用SolidWorks绘制的三维实体如图1所示。
通过SolidWorks绘制的截割头其截齿分布三维图如图2所示。
2截齿受力计算
在掘进机截割头截割的工作过程当中，掘进机的截割头是以绕其自身轴线旋转以及其悬臂的水平摆动产生的复合运动来截割煤岩的。研究表明，掘进机截割头旋转一圈时，截齿在参与截割的时间大约只有半周左右，并且在截齿截割的过程当中，通常其切屑厚度也是在不断变化的（见图3）。
掘进机截割头在工作时其中截割头上的截齿只有一部分处于截割状态，大部分处于摆动截割状态。因此，对单个截齿在0～π位置时的X向侧向阻力、Y向牵引阻力和Z向截割阻力的模拟如图4所示。
转速/（r·min-1）
假设掘进机工况较为恶劣，实际工况下，在0～π范围内掘进机工作的截齿齿数为30个，通过图4可以看出，工作过程中单个截齿的受力是由切屑厚度来决定的，切屑厚度又和截齿在工作时的截割状态位置有关联，同时，截齿在π/2处时受到的力最大：其中截割阻力为21.2kN，侧向阻力为7.62kN，牵引阻力为11.9kN。其它位置上截齿的受力大小也是通过图4计算出来的，表1是其中一条螺旋线截齿三个力的大小[1]。
3截割头有限元分析
3.1PLC定义材料和约束
首先，定义材料：截齿其刀头的材料为硬质合金钢YG28，弹性模量 =640GPa、泊松比μ=0.21；截割头上的齿座和刀杆材料选用高强度合金结构钢20CrNiMo，其弹性模量 =200GPa、泊松比μ=0.3。头体材料为铸钢ZG230-430，其弹性模量 =206GPa、泊松比μ=0.29。
因为截齿通过齿套安装在截齿上，且可以360度旋转，因此需要定义它们的接触面性质。在定义相接触面组时，齿套安装在齿座时，需要借助Simulation管理器中的“接触/缝隙”，在“接触类型”选项中，选择为“结合”，加摩擦系数为0.15。截齿与齿套之间在定义它们之间的相接触面组时，也需要借助Simulation管理器中的“接触/缝隙”，在“接触类型”选项中，选择为“无穿透”；最后对其进行约束，在截割头头体和传动轴位置进行全约束[2]。
3.2PLC截齿网格划分载荷施加
网格划分前首先简化模型，把不受力的截齿压缩，这样可以节约运算时间，同时还可以节约计算机资源，更加细化关键部位如截齿和齿座。对一些相接处的面也可以细化，比如截齿和齿座的接触面，这样结果更加准确。共划分118872个单元、29689个节点。
截齿载荷按一般的研究方法分为侧向阻力X、牵引阻力Y和截割阻力Z，按前面的计算方法计算出这三个力之后对应施加在截齿上。
3.3求解和结果分析
通过Simulation运算算例得出截割头的应力和安全系数如图5。
从图5中可以看出，整个截割头的应力均较小，主要的应力集中在截齿尖侧面的受压位置上。头体应力较小均在100MPa以下，齿座应力均在160MPa以下。最大应力在截齿尖侧面，约为192.9MPa，安全系数最小为6.04，满足设计要求。且通过参阅材料并与其它现有的截割头受力分析的研究材料相比较，新型设计的59截齿截割头最大应力相对较小，安全系数较大，整体性能较其它齿数的截割头更为优越[3]。
4结语
通过对新型59把截齿截割头的建模以及结构有限元分析研究，可以得出其在正常工作状态下所受的应力较小，且安全系数较大，满足材料的强度条件，能够适应工作要求。同时通过与现有其它齿数的截割头应力和安全系数对比，可以看出59把截齿更加安全可靠，具有很大的开发生产价值。
不足点在于齿数较多，制造和安装难度均比截齿数较少的截割头大。因此，该产品可以考虑在开采条件恶劣，岩石煤层硬度大的场合应用。总体而言，新型59把截齿截割头掘进机具有较强的实用价值，在开发应用方面具有一定的前景市场，能够为掘进机行业的开发研制提供一定的参考价值。
参考文献：
[1]潘先锋，张安宁，徐刚.截齿与齿座装配体的有限元分析[J].煤矿机械，2010（9）：76-78.
[2]江洪.SolidWorks有限元分析实例解析[M].北京：机械业出版社，2007：8-200.
[3]叶修梓，陈超祥.SolidWorksSimulation基础教程[M].北京：机械工业出版社，2006：35-100.
（责任编辑：李丽，范君）