勝利露天煤礦斗齒翻轉(zhuǎn)換位應(yīng)用實施分析

李在友，耿昊，田園

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特026015）

勝利露天煤礦斗齒翻轉(zhuǎn)換位應(yīng)用實施分析

李在友，耿昊，田園

（神華北電勝利能源有限公司，內(nèi)蒙古錫林浩特026015）

通過對斗齒各部表面磨損破壞分析，研究變形后斗齒受力變化情況，實施挖掘機(jī)斗齒反轉(zhuǎn)換位使用，均衡斗齒磨損變形，改善切削作用力，從而延長斗齒使用壽命，提升斗齒效力，拉低露天煤礦直接生產(chǎn)成本，實現(xiàn)企業(yè)增收。

斗齒壽命；磨損斷裂；翻轉(zhuǎn)換位；降本增效

0 引言

勝利一號露天煤礦坐落于內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市錫林河西岸，是由神華集團(tuán)2005年注資承建，是我國大型露天煤礦之一，國家核準(zhǔn)生產(chǎn)能力20 Mt/a，主要開采勝利煤田5＃和6＃煤層資源。目前，露天礦剝離采用單斗-卡車開采工藝，采煤采用單斗-卡車-地面半移動式破碎站-帶式輸送機(jī)半連續(xù)開采工藝[1]。單斗挖掘機(jī)是勝利露天煤礦采裝工藝環(huán)節(jié)主采設(shè)備，主要包括6臺太原重工生產(chǎn)的WK-35型電鏟，該電鏟鏟斗有8顆斗齒。

斗齒是挖掘機(jī)上的重要部件，也是易損部件，斗齒安裝在鏟斗的最前端，屬于懸臂梁結(jié)構(gòu)，直接與礦石、沙土、巖石等物料接觸，在鏟裝被挖掘物料時，既承受沖擊作用，又承受較大的彎矩，其工況條件十分惡劣，磨損也非常嚴(yán)重[2]。勝利露天煤礦局部剝離巖層包含礫巖和砂巖，挖掘機(jī)在作業(yè)過程中，斗齒不但存在嚴(yán)重的磨料磨損，同時還要承受一定的沖擊載荷，WK-35型電鏟斗齒因而受損較為嚴(yán)重，導(dǎo)致每年斗齒及其相關(guān)配件產(chǎn)生的費(fèi)用占據(jù)采裝作業(yè)環(huán)節(jié)直接生產(chǎn)成本的較大比例。與此同時，因設(shè)備損壞、停機(jī)、停產(chǎn)而造成間接經(jīng)濟(jì)損失更大[3]。經(jīng)過多年的現(xiàn)場工作實踐，結(jié)合力學(xué)相關(guān)原理，勝利露天煤礦于2014年提出斗齒翻轉(zhuǎn)換位使用的方法，有效提升了單顆斗齒的完成產(chǎn)量，就該礦如何實施斗齒翻轉(zhuǎn)換位使用方法及其產(chǎn)生的相關(guān)效益進(jìn)行分析研究。

1 采裝過程中斗齒發(fā)生的受損變形情況

1.1 作業(yè)中斗齒實效形式

斗齒作為挖掘機(jī)最直接接觸挖掘物料的受力核心部件，在挖掘過程中會由于跟物料的接觸產(chǎn)生相對較為復(fù)雜的受力變化，既要承受與巖體碰撞產(chǎn)生的沖擊力，又要受到插入巖體后產(chǎn)生的彎矩作用。服役過程中，斗齒尖部受到較大的沖擊滑動磨粒磨損，尖部表面常出現(xiàn)各式犁溝、變形，造成表面磨損或脫落[4]。相關(guān)資料表明，斗齒的失效類型比例為磨損失效90%～95%，斷裂、變形失效5%～10%，其它失效小于1%。顯然，磨損失效是斗齒失效的主要形式[5]。但是在挖掘機(jī)的實際生產(chǎn)過程中，經(jīng)常后由于磨損變形導(dǎo)致變形后的斗齒受力不均衡，斗齒所能承受的彎矩極限會大幅度減小，在碰到采裝硬度或者塊度較大的巖體時，因為受力極限的降低往往會引發(fā)斗齒的斷裂，所以在實際生產(chǎn)中應(yīng)該將斗齒的磨損變形與斷裂變形綜合考慮，或?qū)⒛p變形作為斷裂變形的誘因來分析。

1.2 斗齒磨損斷裂分析

除了外部荷載會導(dǎo)致斗齒變形破壞，同時，在挖掘機(jī)采裝過程中斗齒與其相鄰結(jié)構(gòu)部件間的摩擦、碰撞也會對斗齒造成一定程度的破壞。在挖掘較硬物料時斗齒所受到的沖擊力是較頻繁的，在沖擊力作用下，齒座與齒套之間發(fā)生激烈的沖擊和摩擦，產(chǎn)生較高的溫度，使材質(zhì)的硬度和抗沖擊韌性降低，導(dǎo)致齒尖很快磨損，齒座受沖擊斷裂[6]。而在挖掘較為松軟的巖體物料時，雖然并不產(chǎn)生較大的沖擊力，但是挖掘力和挖掘速度同樣會對斗齒造成與相鄰部件間的摩擦。挖掘力及挖掘速度大，同樣會使齒套與齒座之間發(fā)生硬性摩擦從而導(dǎo)致局部溫度升高[6]。因此，挖掘機(jī)挖掘過程中，斗齒受到的破壞力是來自多個方面，且不可避免的。

由于磨損破壞是斗齒破壞實效的最重要形式，斗齒與相鄰結(jié)構(gòu)部件之間也會產(chǎn)生摩擦，導(dǎo)致斗齒磨損變形。同時，斗齒的磨損變形又會導(dǎo)致其受力極限的降低，是斗齒斷裂破壞實效的因素之一。所以研究挖掘機(jī)斗齒在生產(chǎn)過程中磨損變形的主要形式及變形分布，有利于對斗齒破壞失效的具體分析。由于在生產(chǎn)過程中斗齒各個表面所受到的磨擦及沖擊力均不一致，各表面受到的破壞情況并不一樣，因此各表面的變形速率也會大不相同，經(jīng)過生產(chǎn)實際檢驗發(fā)現(xiàn)，斗齒下部的損壞程度明顯要大于其他部位。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計表明，由于受力的不同，斗齒上表面、下表面、側(cè)表面的相對磨損量為1∶3∶0.5[7]。由此可見，在挖掘生產(chǎn)中斗齒下表面確實是受損最為嚴(yán)重的部位。

2 勝利露天煤礦斗齒翻轉(zhuǎn)換位使用方法

2.1 基于生產(chǎn)使用角度提出斗齒反轉(zhuǎn)換位使用

作為挖掘機(jī)機(jī)械配件費(fèi)用的重要組成部分，斗齒使用壽命的長短直接影響露天礦生產(chǎn)成本的高低，所以一直以來國內(nèi)外都有很多關(guān)于如何提升斗齒使用壽命的相關(guān)研究。首要研究便是要對斗齒進(jìn)行合理選材，盡量選用硬度和耐磨性較高且任性較為良好的材料制作斗齒，從而更好的適應(yīng)挖掘機(jī)采裝工程中沖擊載荷的變化。目前，國外廣泛開展了替代材料的研究開發(fā)，多種中、低碳合金鋼金屬鑄鍛焊技術(shù)(含碳量一般在0.20%～0.27%，以保證材料有足夠的強(qiáng)度)應(yīng)運(yùn)而生[5]。為克服斗齒屈服強(qiáng)度較低的現(xiàn)象，通過添加鉻鉬鈮耐磨合金鋼等合金元素可以提升斗齒的強(qiáng)度，提高斗齒使用壽命，但是通過添加合金的手段，收效較好的合金材料價格普遍比較高昂，而價格相對合理的合金材料添加后雖然能夠提升斗齒的耐磨性，但在韌性強(qiáng)化的收效上較差，不適用于挖掘機(jī)鏟挖較硬的物料。除此之外，提升斗齒使用壽命還可以通過優(yōu)化斗齒結(jié)構(gòu)設(shè)計和生產(chǎn)工藝來實現(xiàn)，例如國外已有專業(yè)的斗齒生產(chǎn)商開發(fā)研究了仿真模擬軟件，通過模擬設(shè)計優(yōu)化斗齒形狀及其安裝角度等，優(yōu)化斗齒結(jié)構(gòu)，提升壽命。

雖然，在國內(nèi)外已經(jīng)有很多方法和措施可以提高挖掘機(jī)斗齒的使用壽命，但從其目前的研究方向來看，都是在斗齒安裝使用前進(jìn)行改進(jìn)完善，在施工過程中如何避免過度的磨損和提前斷裂等現(xiàn)象也是對于提升斗齒壽命十分重要的，盡量避免斗齒的提前斷裂還能提高生產(chǎn)安全的穩(wěn)定性。通過實踐經(jīng)驗總結(jié)，勝利露天煤礦針對其主采設(shè)備WK—35型電鏟的斗齒使用，提出了翻轉(zhuǎn)換位使用的方法來提升斗齒的使用壽命。

2.2 斗齒翻轉(zhuǎn)換位后磨損及受力變化

通過現(xiàn)場實踐和數(shù)理統(tǒng)計已經(jīng)證明在挖掘機(jī)的采裝作業(yè)中，斗齒各表面收到的磨損變形量是不一致的，其中斗齒下表面的變形情況最為嚴(yán)重。所以在斗齒使用達(dá)到一定的時間之后，由于下表面的變形量遠(yuǎn)大于上表面，導(dǎo)致原本應(yīng)位于斗齒中部的齒尖轉(zhuǎn)至斗齒上部。當(dāng)挖掘機(jī)繼續(xù)進(jìn)行采裝作業(yè)時，斗齒的齒尖成為整個斗齒最先接觸巖體的部位，斗齒的切削角度發(fā)生變化，由原本斗齒上表面先接觸巖體齒尖向巖體內(nèi)部切削，變成斗齒齒尖直接接觸巖體并切削巖石。這樣導(dǎo)致磨損變形后的斗齒齒尖成為了采裝作業(yè)時承受沖擊載荷的唯一部位，而不是由整顆斗齒共同承受，在這種情況下，齒尖部位承受的沖擊載荷急劇增加，從而很有可能導(dǎo)致斗齒承受不住載荷變化直接提前斷裂，極大縮短了斗齒的使用壽命。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，勝利露天煤礦在生產(chǎn)過程中通過對斗齒磨損變化的實時觀察，在斗齒下表面磨損達(dá)到一定程度時，對斗齒進(jìn)行翻轉(zhuǎn)安裝，將斗齒的上下表面位置互換。這樣不僅均衡了整顆斗齒的各部磨損變形量，還可以通過翻轉(zhuǎn)實現(xiàn)斗齒切削巖體角度的變化，由翻轉(zhuǎn)后的斗齒上表面最先接觸巖體，斗齒齒尖再向巖體內(nèi)部切削。此時，挖掘機(jī)采裝作業(yè)時又是由整顆斗齒共同承擔(dān)與巖體碰撞生產(chǎn)的沖擊載荷，降低斗齒局部壓強(qiáng)，從而更好的利用斗齒整體強(qiáng)度，避免出現(xiàn)斗齒提前斷裂現(xiàn)象，從而提升斗齒使用壽命。

在電鏟采用排勺挖掘作業(yè)時，由于8顆斗齒接觸巖體的先后順序不同，會導(dǎo)致鏟斗斗齒磨損程度不同，磨損變形量由一側(cè)向另一側(cè)依次變大（根據(jù)個人操駕方式不同磨損量的變化方向可能不同）。當(dāng)鏟斗兩側(cè)斗齒變形量差異較大時，鏟斗的入鏟切削角度變化，挖掘力會減小，生產(chǎn)效率下降。勝利露天礦通過及時更換斗齒安裝位置，互換鏟斗兩側(cè)變形量不一樣的斗齒，從而恢復(fù)入鏟切削角度，提高生產(chǎn)效率。同時，切削角度的恢復(fù)可以降低鏟斗與巖體發(fā)生的沖擊載荷，并通過位置互換均衡同批次斗齒磨損變形量，最終有效延長斗齒使用壽命。

3 斗齒翻轉(zhuǎn)換位使用成效

3.1 產(chǎn)量、壽命分析

斗齒是挖掘機(jī)的易損配件之一，在生產(chǎn)成本中占有很大比例，因此，它的使用合理與否，對于降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)各效率，具有重要意義[8]。勝利露天煤礦自2014年實施斗齒翻轉(zhuǎn)換位之后，斗齒壽命明顯提升，近3年單顆斗齒完成產(chǎn)量逐年提升，詳見表1。

表1 2013—2016年斗齒及鋼絲繩平均完成產(chǎn)量

由表1可見，通過斗齒翻轉(zhuǎn)換位的實施，勝利露天煤礦單顆斗齒產(chǎn)量顯著提升，同時，由于斗齒翻轉(zhuǎn)換位后，改善了采裝作業(yè)斗齒切削作用力，降低了挖掘機(jī)提升裝置承受的載荷，延長了提升鋼絲繩使用壽命，單幅鋼絲繩完成產(chǎn)量明顯增加，節(jié)約了露天礦直接生產(chǎn)成本。基于主要討論WK—35型電鏟斗齒翻轉(zhuǎn)換位使用在勝利露天煤礦實施應(yīng)用效果，故僅以近3年來斗齒壽命提升情況來進(jìn)行成本效果分析。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

以2016年為例，年度完成產(chǎn)量4 452萬m3，在實施斗齒翻轉(zhuǎn)換位前，2013年單顆斗齒完成產(chǎn)量9.38萬m3/顆，則需使用斗齒475顆。通過斗齒翻轉(zhuǎn)換位的實施，均衡斗齒磨損量，改善斗齒變形后切須作用力后，2016年單顆斗齒完成產(chǎn)量11.57萬m3/顆，即全年消耗斗齒385顆。在此期間，勝利露天煤礦WK-35電鏟使用的斗齒并未發(fā)生材料和結(jié)構(gòu)改變，地質(zhì)條件變化不大，所采巖體物性基本一致，故可視為通過斗齒翻轉(zhuǎn)換位的實施，2016年勝利露天煤礦節(jié)約斗齒90顆，每顆斗齒采購價格約為3 200元/顆，即2016年斗齒壽命的提升節(jié)約露天礦直接生產(chǎn)成本28.8萬元。同理計算，可算得自2014年斗齒翻轉(zhuǎn)換位實施，勝利露天煤礦累計節(jié)約生產(chǎn)成本62.7萬元。

4 結(jié)論

由于采掘作業(yè)中鏟斗斗齒不可避免的存在切削磨損機(jī)制和疲勞剝落機(jī)制，為提升斗齒平均使用壽命，勝利露天煤礦通過實踐總結(jié)，從生產(chǎn)使用的角度著手，提出斗齒翻轉(zhuǎn)換位方法實施。均衡了鏟斗斗齒各部表面的磨損變形量，避免斗齒因局部磨損量過大導(dǎo)致提前斷裂，同時通過翻轉(zhuǎn)換位實現(xiàn)變形后斗齒切削角度的變化，改善了斗齒承受載荷集中的情況，從而有效扼制斗齒提前斷裂，增加斗齒服役時間。通過斗齒反轉(zhuǎn)換位實施后勝利露天煤礦斗齒消耗情況的效果分析，證明確實有效節(jié)約了露天礦直接生產(chǎn)成本，對于露天礦降本增效具備重要意義，且方法實施簡單便捷，適于行業(yè)內(nèi)部推廣使用。

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【責(zé)任編輯：解連江】

Application analysis of bucket gear turnover and transposition in Shengli Open-pit Mine

LI Zaiyou,GENG Hao,TIAN Yuan
(Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhot 026015,China)

Through analyzing bucket tooth surface wear failure,the article researches the change condition of bucket tooth load after the deformation,implements reverse transposition using of excavator bucket teeth,balances bucket tooth wear deformation,improves the cutting force to prolong the service life of the bucket teeth.The company promotes the effect of bucket tooth,lowers direct production cost of the open-pit coal mine,and realizes enterprises'income.

bucket tooth life;wear fracture;reverse transposition;save efficiency

TD422

B

1671－9816（2017）08－0050－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.014

李在友，耿昊，田園.勝利露天煤礦斗齒翻轉(zhuǎn)換位應(yīng)用實施分析［J］.露天采礦技術(shù)，2017，32（8）：50-52.

2017-04-04

李在友（1981—），男，漢，山東濰坊人，中級工程師，2006年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)任神華北電勝利能源有限公司勝利露天煤礦采掘隊隊長。