現(xiàn)代煤用挖掘機錐齒挖掘中磨損的性能分析及研究

任 斌

（陽泉陽煤集團有限責(zé)任公司三礦機電工區(qū)， 山西 陽泉 045000）

引言

煤炭是我國使用最廣泛的燃料之一，雖然我國能源結(jié)構(gòu)有所調(diào)整，但是煤炭仍然將作為重要的化工原材料存在。采煤機鼓和采煤頭的切割頭是煤炭開采過程中使用的主要部件，消耗了80%～90%的采煤機功率。在采礦過程中安排在螺旋鼓和切割頭上的錐形鎬反復(fù)與煤炭相互作用，經(jīng)常發(fā)生變形和磨損。

1 挖掘機錐齒挖掘中磨損的相關(guān)研究

切割頭的工作條件非常惡劣，整個開采復(fù)雜且強度極大。其通常由硬質(zhì)合金刀頭，鎬體和鎬柄組成，安裝在刀柄上，如圖1所示，并用彈簧法蘭將其固定。

圖1 來自德國WAZE等人建立的挖掘機錐齒模型

其用于在撿拾器焊接時打破煤巖切割頭。在高溫壓條件下錐形選擇影響工作效果，這往往是導(dǎo)致失敗工作失效的主要因素之一。許多研究人員越來越重視切割頭失效的表現(xiàn)，并指出這一點失效形式主要包括過早磨損，硬質(zhì)合金刀頭脫落，傾翻，斷裂和正常磨損。其中，由于正常磨損，過早磨損和硬質(zhì)合金刀頭掉落等磨損失敗，約占故障的75%[1]。

為了研究錐形鎬在使用過程中如何磨損，一方面，研究人員正在逐步通過模擬和實驗研究鎬切割煤巖的負(fù)載。對于仿真，研究人員主要使用有限元法和離散元素方法。為了進(jìn)行實驗，研究人員建立了不同的測試裝置，例如煤巖切割試驗臺，自動旋轉(zhuǎn)煤/巖石切割模擬器（ARCCS），單切切割試驗臺，全尺寸切割鉆機和重建試驗裝置。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，并非所有挑選的切割頭都會產(chǎn)生過載，并且對負(fù)載導(dǎo)致的磨損研究較小。這是選擇磨損機制曝光不足的主要原因[2]。另一方面，研究人員正在逐步開展更多的研究來直接挑選磨損切割頭。在多次切削試驗中主要研究鎬的磨損類型。在這些條件下，挑選只有一些表面劃痕輕微磨損，并且測試的磨損質(zhì)量損失小于1 mg。由于嚴(yán)重的局限性，這個結(jié)果研究還不足以顯示切割頭的磨損特征。挑選磨損特征應(yīng)該包括挑選在切割過程中磨損對磨損狀態(tài)以及切割性能的影響。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)該研究鎬削類型，結(jié)構(gòu)和工作角參數(shù)對鎬磨損的影響采用實驗裝置切割煤巖，分析切削磨損對切削性能的影響為減少切齒磨損提供實驗依據(jù)。

2 挖掘機錐齒挖掘中磨損的實驗方法

在煤巖切割試驗臺上進(jìn)行實驗以模擬圓錐形切割煤巖的過程。試驗臺包括主、輔傳動系統(tǒng)，切割裝置，液壓控制系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)。主傳輸系統(tǒng)用于導(dǎo)致切割設(shè)備旋轉(zhuǎn)。電機功率為30 kW，電機轉(zhuǎn)速可以控制在0～180 r/min之間以改變切割速度?？梢酝苿忧懈钛b置來改變切割寬度，由液壓系統(tǒng)控制。副傳動系統(tǒng)用于移動煤巖[3]。

該運動通過驅(qū)動齒條裝置的液壓馬達(dá)來實現(xiàn)，并且其速度可以被控制在內(nèi)0～10 m/min以改變進(jìn)給速度。作為設(shè)計的切割設(shè)備包括端板，輪轂，卡盤和拾取裝置。本研究在沒有考慮圓錐形鎬自轉(zhuǎn)性能的情況下進(jìn)行，以確定鎬影響切削磨損的類型，結(jié)構(gòu)和工作角度參數(shù)。挑選期間不應(yīng)該在挑桿架上旋轉(zhuǎn)實驗，因此撬固定塊被設(shè)計為限制鎬的旋轉(zhuǎn)。本文主要關(guān)注配置參數(shù)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，對不同類型的煤巖沒有進(jìn)一步分析。根據(jù)以前模仿煤巖的成功案例，水泥和沙子被用作基礎(chǔ)材料模擬煤巖，質(zhì)量比例分別為1∶2。模擬的煤巖具有強烈的均質(zhì)性，可以消除次要因素的影響，使實驗結(jié)果更可靠。單軸模擬煤巖的抗壓強度大約為20～25 MPa，抗拉強度約為2 MPa。模仿樣品在一個位移處分裂0.75 mm，發(fā)生局部峰化，這與天然巖石的脆性相似。與應(yīng)力曲線相比較結(jié)果表明模擬煤巖可以用來準(zhǔn)確模擬自然界的特征巖。

3 結(jié)果與討論

3.1 切割類型對磨損的影響

對稱和不對稱切割類型是切割頭上的鎬和切縫所使用的兩種主要切割類型。本文對選擇的切口創(chuàng)建了一個自由曲面，用于下一個切割，并由相鄰的選取點組成切割創(chuàng)造切口II可以被視為不對稱的切割過程。煤的反應(yīng)作用于兩者切割頭的邊緣，導(dǎo)致切割頭的力量平衡。創(chuàng)建切口III的切割可視為對稱切割處理。

為了研究切削類型對切削磨損的影響，選擇了普通切削，并且硬質(zhì)合金刀尖的高度為18.6 mm；碳化物尖端的錐角為80°；拾取體的頭部直徑為24mm。傾斜角度和切割角度分別為0°和40°。通過調(diào)節(jié)電機頻率將切割設(shè)備的轉(zhuǎn)速設(shè)置為150 r/min；煤巖的移動速度為1.5 m/min，在此之下挖掘的最大切削深度為1 cm條件。圖2顯示了在對稱和不對稱切割類型下具有磨損的鎬的宏觀輪廓。

圖2 在對稱和不對稱切割類型下磨損的宏觀輪廓

如圖2所示，截齒在不對稱切割類型下僅在一側(cè)上磨損，而在兩側(cè)對稱下表明非對稱切割類型下的磨損質(zhì)量損失是對稱切割類型下的磨損質(zhì)量損失的一半，并且提高了工作壽命。上面的分析是在沒有考慮圓錐形鎬的自轉(zhuǎn)性能的情況下進(jìn)行的。但是，扭矩在實際工作的切割過程中，由于切割軸上的負(fù)載不平衡而導(dǎo)致圓錐形切齒旋轉(zhuǎn)條件。這可以從圖2中的兩種切割類型下的挑選磨損看出，其中鎬上不對稱的切割類型的負(fù)載必須不平衡，并且選擇具有自旋旋轉(zhuǎn)的潛力。當(dāng)在非對稱剪切類型下觀察采摘側(cè)的磨損時，可以確定采煤與煤巖相互作用的摩擦方向。磨損形成與拾取軸成一定角度，這表明摩擦力可以沿拾取軸及其垂直方向分解，沿著垂直方向分解的力可能導(dǎo)致鎬轉(zhuǎn)動。因此，在非對稱切割類型下切割頭者的自旋能力將明顯降低磨損。

3.2 扒體的頭部直徑對磨損的影響

堆焊焊接鎬已被用于解決由于切割過程中的磨損而引起的剔除問題。一個正常的選擇和堆焊焊接接頭如圖3所示。從圖3可見，堆焊的基本目的是增加焊接面鎬體的直徑及其抗磨損能力。雖然鎬體與煤巖相互作用，但鎬可以長時間使用。因此，是否要實現(xiàn)焊接堆焊的基本目標(biāo)應(yīng)該被討論。

圖3 正常堆焊焊接

通過改變拾取體的頭部直徑來模擬拾取結(jié)構(gòu)變化堆焊，以及這種變化對鎬磨損的影響進(jìn)行了研究。挑選體的頭部直徑被選擇為根據(jù)撿拾體厚度的增加，其厚度為 20 mm，22 mm，24 mm，26 mm和 28 mm，該行業(yè)目前使用的堆焊焊接。切割裝置的傾斜角度，切割角度，旋轉(zhuǎn)速度，煤巖的運動速度保持不變。采摘對稱采用對稱切割方式，而宏觀則采用對稱切割方式在相同的切削時間下，截齒不同頭面直徑下的截齒輪廓如圖4所示。

圖4 錐齒不同頭面直徑下磨損的宏觀特征

從圖4可以看出，拾取體的磨損面積隨著拾取體的頭部直徑而增加，幾乎沒有當(dāng)頭部直徑為20 mm時，在撿拾體上磨損。這表明頭面直徑越小更容易使鎬體避免干擾煤巖；否則，一個大的鎬身頭部會磨損硬質(zhì)合金刀頭，這表明其不能避免硬質(zhì)合金刀頭脫落。此外，經(jīng)過堆焊之后鎬體的表面硬度（HRC）普遍達(dá)到了62，根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬度（HRC）85。因此，鋪面后的鎬體焊接比碳化物尖端磨損更快，并且其不能幫助硬質(zhì)合金尖端切割煤巖。

3 結(jié)語

對挖掘機錐齒挖掘中磨損的相關(guān)問題進(jìn)行了測試研究，但是，在生產(chǎn)中由于其工作環(huán)境的特異性，還需要進(jìn)一步的研究與分析，這也是相關(guān)研究人員未來研究的重要內(nèi)容。