图 6 为优化分析后得到的优化参数（最大等效
应力）与目标函数（圆锥半角和圆孔半径）的关系
图。 由图 6 可知，截齿的最大等效应力均随圆锥半
角和圆孔半径的增大而减小。 由于截齿结构尺寸的
0.00
50.00（mm） yx
25.00
z
限制，截齿圆孔的半径对截齿齿尖部位的应力峰值 影响更大。
图3 有限元网格的划分
on Workbench
WU Qian-feng， LIU Ying-lin， CHEN Cai (School of Mechanical Engineering， Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China)
Abstract: In order to obtain the more reasonable structure of pick-shaped cutter， with MG600 shearer
the optimization design of pick -shaped cutter has been performed. The cone half -angle and circular
hole radius of pick tooth point were selected as design parameters. Meanwhile, geometry mass,
截齿的总体变形并不明显。
图 7 为优化后镐形截齿的等效应力图。 178
第 35 卷第 11 期 2014 年 11 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.35 No.11 Nov. 2014
doi:10.13436/j.mkjx.201411075
KCJ-70 型矿用防爆柴油机掏槽机结构特点
2.930 4e-8 Max
2.604 8e-8
2.279 2e-8
2.279 2e-8
1.953 6e-8
1.628 0e-8
1.302 4e-8
9.768 0e-9
6.512 0e-9 3.256 0e-9
0.00
60.00（mm） x z
0 Min
30.00
y
bp
图 5 镐形截齿的总变形图Leabharlann 图 2 镐形截齿破煤的等效集合模型
第 35 卷第 11 期 2014 年 11 月
煤矿机械 Coal Mine Machinery
Vol.35 No.11 Nov. 2014
doi:10.13436/j.mkjx.201411074
基于 Workbench 的采煤机镐形截齿结构优化设计
邬黔凤， 刘英林， 陈 财 （太原理工大学 机械工程学院， 太原 030024）
400
到模型上，对镐形截齿进行静力学分析。 图 4 为截齿等效应力云图，截齿齿尖部位应力
最 大 ，最 大 等 效 应 力 为 538.49 MPa，小 于 截 齿 材 料
图6
300 30 P1-Cu4t0oux.R50AD
15 14P21-3Cu1t2oux1.R1A1D0
优化参数和目标参数的关系变化
P3-Equivalent Stress Maximum
P3-Equivalent Stress Maximum
理论上，在截割过程中截齿可以在齿座中自由
700
转动，但由于锈蚀、煤粉等因素导致许多截齿不能
600
转动，这里不考虑镐形截齿的自转，将截齿根部添
500
加全约束。 将计算出来的截齿轴向力和径向力施加
定义材料属性后，进行网格划分，采用自由网 格划分，同时对齿尖区域进行细化，划分后网格模 型如图 3 所示。
Mesh 2014/6/26 12:21
4 镐形截齿的结构优化分析 ANSYS Workbench 中 的 优 化 设 计 功 能 是 通 过
Design Explorer 实现的。Design Explorer 优化模块是 基于 Simulation 仿真模 块数据库的 参数 优 化 工 具 ， 和传统的优化计算方法类似， 其最终目的是在满足 用户使用要求的前提下，寻找一种最优方案。
将截齿齿尖的圆锥半角和圆孔半径作为优化 参 数 Cutout.ANG 和 Cutout.RAD， 以 镐 形 截 齿 的 质 量、 最大等效应力和最大变形量作为目标参数，利 用 Workbench 中 DS 模块进行优化分析。 镐形截齿 的初始圆锥半角为 49°，变化范围为 30~60°，初始圆 孔半径为 11 mm，变化范围为 10~14 mm。
与截齿的切入角有关，近似某种二次曲线形状。 随
J=Ah（0.3+0.35×103bp）
（1）
着截齿截入深度的增加，煤岩体内部的压张力逐渐 式中 A— ——煤岩体的截割阻抗，kN/m； 177
Vol.35No.11
基于 Workbench 的采煤机镐形截齿结构优化设计— ——邬黔凤，等
第 35 卷第 11 期
0 引言
增大，使被粉碎的煤岩体的界面不断扩大。 同时被
采煤机是煤矿生产中重要的生产设备，截割滚 压部位表面产生大的弹性变形，当变形超过煤岩体
筒上的镐形截齿，在采煤过程中，截齿磨损、齿尖崩 的抗拉强度时，煤岩体沿其剪切面或层里面、节理
刃、齿身弯曲等是截齿失效的主要形式，多种失效 形式也使得截齿成为煤矿生产中更换量最大的零 件。 截齿质量和性能的优劣直接影响着煤矿的生产 能力和工作效率。 因此研究具有更加合理结构尺寸 的截齿具有十分重要的意义。
h— ——截齿截割厚度，m；
bp— ——截齿计算宽度，m。 螺旋滚筒牵引速度方向的推进阻力
Q=KpJ=（0.5~0.8）J
（2）
式中 Kp— ——推进阻力与截割阻力的比值。
单个截齿的受力可以分解为轴向力及径向力，
其 中 轴 向 力 X=J+Qcos β0， 径 向 力 Y=Qsin β0。 以 MG600 采煤机上的镐形截齿为例，经计算截割阻力
BC 处出现裂缝，煤岩体 ABCD 开始断裂。 实际上破碎
下来的煤岩体是具有一定厚度的扇形体，形成落煤。
R1
β A
R2 B
准1
准2
h1 h2
锥半角和圆孔半径下的截齿质量、最大等效应力和
DC
最大变形量，以期得到更加合理的截齿结构。
1 镐形截齿的破煤机理
在镐形截齿破岩理论众多模型中，被公众普遍
2α
接受的是英国 学者 Evans 提出 的拉坏模型 。 Evans
摘 要： 为了得到更加合理的镐形截齿结构，以 MG600 采煤机的镐形截齿为研究对象，对单
个截齿进行受力分析，在 Workbench 中建立了截齿的有限元模型。 在静力有限元分析的基础上，把
镐形截齿齿尖的圆锥半角和圆孔半径作为设计参数，以质量、最大等效应力和最大变形量作为目
标参数，对截齿结构进行了优化，得到了更加合理的镐形截齿结构。 研究结果为截齿的结构设计与
YUAN Chang-suo， SHANG Guang-lai (1. Shendong Coal Technology Research Institute, Shendong Coal Group Company， Yulin 719315， China. 2. Baotou
优化提供了理论依据。
关键词：采煤机； 镐形截齿； 参数化建模； 受力分析； 结构优化
中图分类号： TD421.6 文献标志码： A 文章编号： 1003 － 0794（2014）11 － 0177 － 03
Structural Optimization Design of Shearer Pick-shaped Cutter Based
本文基于 Workbench 软件平台，在静力学分析 的 基础上，通过 Workbench 中 Design Explorer 模 块 对截齿的几何形状进行优化，获取并分析不同的圆
面出现微裂纹并逐渐扩大。 破煤机理如图 1 所示，
在 ABCD 范围内煤岩体压张力 R1 和 R2 的合力大于
连线 AD 和 BC 处拉应力的合力 时， 便会在 AD 和
equivalent stress maximum and the biggest deformation were selected as goal parameters. The more
reasonable structure of pick-shaped cutter has been obtained. Research results provide the theoretical
原长锁， 尚广来 (1. 神东煤炭集团公司 神东煤炭技术研究院， 陕西 榆林 719315； 2. 包头大成重工制造有限公司， 内蒙古 包头 014060)
摘 要： 论述了 KCJ-70 型矿用掏槽机的整体结构、行走方式、截割机构及其技术参数，阐述 了该机型整体机构以及在煤矿井下巷道具体条件下设备的适应性，并展望了矿用掏槽机的发展方向。
图 1 镐形截齿的破煤机理
认为在截割过程中，镐形截齿以速度 v 撞击煤岩体， 2 镐形截齿受力分析
齿尖以一定角度切入煤岩体内，在滚筒动能的作用
镐形截齿破煤的等效集合模型如图 2 所示，截
下，当齿尖的锥体表面对煤岩体的压张力超过煤岩 体的抗拉强度时，被压部位逐渐粉碎，其截面形状
齿锥角为 2α，截齿楔入煤岩体角度为 β0。 单齿在煤岩体表面进行平面截割，截割阻力
basis for the structural design and optimization of the cutter.
Key words: shear; pick-shaped cutter; parametric modeling; force analysis; structure optimization