礦山機械摩擦磨損問題分析及防范

郝 寧

（大同煤礦集團同發(fā)東周窯煤業(yè)有限公司，山西大同 037000）

0 前言

在礦山機械中最為重要的設(shè)備便是采掘機械設(shè)備，該設(shè)備也是煤巖截割作業(yè)時所使用的重要設(shè)備。采掘機械設(shè)備中鎬型截齒是和煤巖直接接觸的，截齒自身性能很大程度上影響采掘機械截割作業(yè)的效率[1]。由于截齒所處的工作環(huán)境相對較差，而且在作業(yè)過程中一直處于高沖擊以及高應(yīng)力的狀態(tài)下，非常容易導(dǎo)致截齒出現(xiàn)失效問題[2]。根據(jù)相關(guān)研究統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，國內(nèi)煤礦開采過程中平均萬噸煤所需截齒數(shù)量在400—1300把之間，根據(jù)市場價格依照每把截齒價格在100元左右，我國煤炭年產(chǎn)量約為40億t，那么僅僅煤炭行業(yè)來說，每一年用于截齒更換的費用便為160～520億元。所以，如果可以有效提升截齒壽命，減少截齒部件的消耗數(shù)量，則將會取得非常大的經(jīng)濟效益。

1 采煤機械截齒部件磨損對截割性能的影響

在截齒部件實際應(yīng)用時，截齒的磨損問題不斷變得嚴(yán)重，同時截齒在截割作業(yè)時承受的載荷以及煤巖塊度情況，均會隨著截齒不斷被磨損為出現(xiàn)改變[3]。例如，截齒部件因為和煤巖存在直接接觸，由于截齒不斷地被磨損導(dǎo)致截齒和煤巖之間接觸面積不斷增加，從而導(dǎo)致截齒磨損問題變得更加嚴(yán)重，還會導(dǎo)致截割載荷進一步增大。由于截齒受到磨損使得齒尖逐漸變得鈍化，使得截齒無法更順利楔入至煤層之中，截割作業(yè)時能耗也會隨之增多。

此次對截齒進行研究所選用的截齒為普通截齒，截齒的合金頭高度值為18.6 mm，截齒齒尖的錐角是80°，齒身的端面直徑值是24 mm。試驗過程中把截齒部件和煤巖相互作用，確保截齒能夠被不同程度的磨損，分別為初期磨損情況、中期磨損情況以及后期磨損情況，截齒的外觀形貌如圖1所示。

從圖1可以看出，截齒部件在逐步出現(xiàn)磨損問題時，兩側(cè)部位以及煤巖干涉部位發(fā)生的磨損情況，將比齒尖位置和煤巖體接觸位置發(fā)生的磨損問題嚴(yán)重。另外，截齒齒尖結(jié)構(gòu)在受到逐步的磨損之后，表現(xiàn)為圓弧狀，這對于截齒部件所擁有的截割性能會造成非常大影響[4]。

為能夠進一步分析截齒發(fā)生磨損問題情況下截割載荷變化情況，應(yīng)用以上所得到的各種磨損狀況之下截齒與沒有發(fā)生磨損問題的截齒加以對比，針對不同截齒在進行截割作業(yè)時表現(xiàn)出的截割扭矩加以測量，同時對截割作業(yè)過程中截齒截割扭矩相應(yīng)均峰值加以統(tǒng)計分析，所得數(shù)據(jù)如表1所示，為了更好分析數(shù)據(jù)，根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制均峰值曲線，如圖2所示。

圖1 各個磨損時期中截齒外觀形貌圖

表1 各種磨損狀況下截齒截割扭矩峰值統(tǒng)計

圖2 各種磨損狀況下截齒截割扭矩峰值統(tǒng)計圖

從圖中可看出，截齒部件的截割扭矩峰值在其磨損情況逐漸嚴(yán)重情況下，而且對應(yīng)的離散性也不斷減弱，也表明了在截齒的磨損情況不斷嚴(yán)重情況下，會使得截齒與煤巖接觸面更大，同時還會使得磨損速度有所增加。在截齒部件發(fā)生初期磨損問題情況下，其截割扭矩和沒有發(fā)生磨損問題的截齒部件差異較小，相差的均值沒有超過50 N·m。截齒部件處于中期磨損情況下，和沒有發(fā)生磨損問題的截齒部件其截割扭矩增大約20%。截齒部件處于后期磨損情況下，和沒有發(fā)生磨損問題的截齒部件其截割扭矩增大約30%。因此，針對已經(jīng)發(fā)生磨損的截齒部件，應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的措施，確保磨損面和煤巖體盡量少的接觸，或者是借助于特定工藝使得煤巖體更易于截割，否則將會使得截齒在較短時間內(nèi)加劇磨損，截齒的使用壽命受到極大影響[5]。

2 基于預(yù)裂技術(shù)的截齒磨損防范工藝分析

由于此次研究中所采用的水射流直徑固定，所以設(shè)定預(yù)裂的寬度值保持不變，僅僅分析預(yù)裂深度帶來的影響。實際截割作業(yè)時設(shè)計的截割的深度值為10 mm，不同預(yù)裂深度下煤巖對截齒截割的阻止減少率具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 不同預(yù)裂深度下煤巖對截齒截割的阻止減少率

從圖中可看出，在各種配置方式之下，截割阻力減少率都會隨著預(yù)裂深度值不斷增大逐漸的增大。之所以會出現(xiàn)這種現(xiàn)象，主要是因為煤巖之中的預(yù)裂深度不斷增大情況下，會使得截齒附近對應(yīng)的應(yīng)力區(qū)域范圍逐漸減小，而且也會使得煤巖崩落自由面有所增多，能夠確保預(yù)裂作業(yè)可以更為高效的輔助截割作業(yè)。所以，在預(yù)裂深度值不斷增大情況下，其對于截齒阻力的減少率同樣也會不斷增加，也表明了更易降低截齒所受到的截割阻力。

并且，若是其他條件相同，則采用中心配置方式情況下，預(yù)裂作業(yè)對于截割阻力的減少率均要優(yōu)于采用側(cè)置式或者采用前置式的情況。若是預(yù)裂深度值較截割的深度小時，則采用水射流對截割作業(yè)進行輔助施工過程中，截齒所擁有的截割性能相對較差，不過，若是預(yù)裂深度值超過了截割深度值，則采用水射流對截割作業(yè)進行輔助施工過程中，截齒所擁有的截割性能相對較好[6]。上述數(shù)據(jù)都表明了若是預(yù)裂深度越大，則截割的阻力減小率也會相應(yīng)增加。因此，在防范礦山機械摩擦磨損過程中，建議盡可能增加預(yù)裂深度，從而確保采煤機械中截齒部件的使用壽命顯著增加。

對不同預(yù)裂深度情況下截齒部件的磨損減少情況進行統(tǒng)計分析，所得結(jié)果如圖4所示。

從圖4(a)可看出，在各個預(yù)裂深度情況下，采用中心配置的方式時，截齒部件對應(yīng)的法向磨損減少率值在三者之中都是最大的，并且要較其余兩種配置方式情況下要高出非常多。采用側(cè)置方式以及倒置方式情況下，對應(yīng)的法向磨損減少率差異性相對小。不論是采用何種配置方式，在預(yù)裂深度不斷增加的情況下，截齒的法向磨損減少率均是不斷增加的，而采用中心配置情況下，其變化趨勢呈現(xiàn)出先急后緩的現(xiàn)象，造成這一問題多是因為在中心配置情況下，預(yù)裂位置是位于截齒的齒尖下方位置處，在預(yù)裂深度逐漸增加過程中，對于截齒部件受載實際影響也會逐漸減少[7]。所以，若是采用中心配置方式情況下，綜合各種因素的影響，預(yù)裂深度設(shè)計為10mm的情況下是最為適宜的，這樣不僅能夠達到減少截齒磨損的目的，同時也符合經(jīng)濟性的原則。

從圖4(b)可看出，在各種配置情況下，截齒部件的側(cè)向磨損減少率都會在預(yù)裂深度不斷增加時而逐漸增加，相應(yīng)的變化趨勢基本上和法向磨損減少率相似，不過，在兩個地方的差異性相對大。其一，在各個預(yù)裂深度情況下，采用前置方式情況下，截齒部件側(cè)向磨損減少率要較采用側(cè)置方式情況下高出跟多；其二，在預(yù)裂深度值達到了10 mm之后，采用前置方式情況下，截齒部件的側(cè)向磨損減少率要較采用中心方式情況下更高[8]。

圖4 不同預(yù)裂深度下煤巖對截齒法向與側(cè)向磨損減少率

因為通過水射流達到預(yù)裂效果時，預(yù)裂深度值和射流的沖擊力存在直接性練習(xí)，若是射流的沖擊力大，則對應(yīng)的預(yù)裂深度也會較深。通過以上分析能夠得出，若是截齒采用側(cè)置方式或者前置方式情況下，能夠采取增加射流沖擊力的方法來有效增加截齒磨損減少率，但是，在采用中心配置情況下，在射流沖擊力增加情況下，截齒磨損減少率不會有太大的增加。

3 結(jié)語

礦山機械中采掘機械設(shè)備是最為重要的設(shè)備，而采掘設(shè)備中截齒是和煤巖直接接觸的部件，截齒的性能會對采掘效產(chǎn)生重要影響。不過，因為截割部件受到各種因素的影響，使得截齒會出現(xiàn)一定磨損問題，并且因為截齒作業(yè)的環(huán)境條件不同其磨損程度也會有所不同。截齒出現(xiàn)磨損問題，將導(dǎo)致煤炭開采效率顯著降低，同時也會導(dǎo)致截齒資源被大量浪費。本文作者采取增加射流沖擊力的方法來有效增加截齒磨損減少率，從而確保截齒使用壽命顯著增加，從而最大限度的增加開采效率，減輕截齒的摩擦磨損問題，有效節(jié)約截齒資源，確保企業(yè)取得良好的經(jīng)濟效益。