基于FTA的采煤機(jī)截齒失效形式與對(duì)策分析

程 博

（同煤國(guó)電 同忻煤礦，山西 大同 037001）

截齒是在采煤過(guò)程中，采煤機(jī)截割煤壁時(shí)與煤巖直接接觸的最終端。截齒主要分為鎬形截齒和板形截齒兩類。不僅滾筒上布置的截齒多，而且截齒在截割過(guò)程中，會(huì)遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和工作狀況。因此，截齒是整個(gè)采煤機(jī)中使用量最大，也是最容易損壞的零件之一。截齒一旦失效，需要進(jìn)行更換，除了截齒自身的價(jià)值，停機(jī)更換截齒也會(huì)影響采煤生產(chǎn)，降低產(chǎn)量，造成更大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)采煤機(jī)截齒的失效形式進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)對(duì)策，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值和良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 截齒常見(jiàn)的失效形式

1.1 硬質(zhì)合金頭脫落

截齒大多是以優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼作為齒體，通過(guò)釬焊的方法，利用銅基釬料把硬質(zhì)合金焊接到截齒齒頭。首先由于釬焊焊接的工藝的問(wèn)題，截齒釬焊焊縫的間隙大小對(duì)焊接質(zhì)量具有決定性的作用。如果焊縫太小，焊料難以流入；如果焊縫過(guò)大，又容易出現(xiàn)虛焊假焊等現(xiàn)象。再次，由于齒體和齒頭需要采用錐面配合進(jìn)行焊接，前期機(jī)械加工中錐面一定會(huì)產(chǎn)生誤差，焊接中就不可避免的會(huì)在出現(xiàn)夾焊、虛焊、焊接裂縫等問(wèn)題。最后，在截割過(guò)程中，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，生產(chǎn)強(qiáng)度要求高，截割煤巖時(shí)會(huì)產(chǎn)生反復(fù)而且較大的沖擊，容易形成應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致截齒頭部硬質(zhì)合金松動(dòng)、脫落。

1.2 硬質(zhì)合金頭崩刃

由于煤礦井下地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，綜采工作面不間斷作業(yè)，截齒始終處于一種連續(xù)疲勞的工作狀態(tài)。在這種情況下，一旦遇到堅(jiān)硬的巖石或礦料，拉應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用超過(guò)了硬質(zhì)合金的疲勞強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生碎裂，板形截齒的失效形式為硬質(zhì)合金刀片的斷裂，鎬形截齒的失效形式為齒頭的折斷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析可以看出硬質(zhì)合金頭崩刃的主要的原因有兩個(gè)：一是硬質(zhì)合金本身材料的問(wèn)題，由于合金是多種金屬合成的，其內(nèi)部不可避免的會(huì)含有雜質(zhì)，晶粒分布不均，容易產(chǎn)生裂紋；二是制造工藝的問(wèn)題，由于硬質(zhì)合金齒頭大都采用熱壓工藝，很容易產(chǎn)生密度分布不均、熱應(yīng)力、冷卻裂紋等問(wèn)題。

1.3 截齒的磨損

（1）磨粒磨損

磨粒磨損主要是在截割過(guò)程中，破碎的煤巖和煤矸石等比較堅(jiān)硬鋒利的物質(zhì)與截齒切削表面摩擦形成細(xì)微的切削。如果磨粒的切削角度恰好刺入或切割截齒，則會(huì)在截齒表面形成犁溝或者劃痕，在連續(xù)不斷地惡略工況下，隨著時(shí)間的推移，截齒被磨粒反復(fù)擠壓、切割，之后會(huì)發(fā)生塑性變形，截齒內(nèi)部密度也會(huì)隨之發(fā)生變化，齒面產(chǎn)生微小的的裂紋，裂紋擴(kuò)展，慢慢就會(huì)崩裂掉落，最終失效。

（2）熱疲勞磨損

除了磨粒磨損，截齒在工作過(guò)程中，由于摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱，溫度能夠達(dá)到600～800℃。由于滾筒在截割過(guò)程中帶動(dòng)截齒做往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，截齒和煤巖的接觸是周期交變的，當(dāng)截齒離開(kāi)煤壁時(shí)，在冷卻噴霧的作用下，截齒會(huì)迅速降溫，其過(guò)程如同熱處理中的高溫回火處理，金屬晶格組織很容易由原來(lái)的珠光體和奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w和鐵素體，硬度變?yōu)樵瓉?lái)的一半。隨著截齒的繼續(xù)使用，截齒溫度繼續(xù)周期性交變，材料表層硬度進(jìn)一步下降，截齒內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)塑性流動(dòng)變形和密度錯(cuò)位現(xiàn)象，其最終的結(jié)果就是導(dǎo)致截齒表層出現(xiàn)橫向細(xì)微裂紋，發(fā)展成大的裂紋，直至崩裂失效。

1.4 齒身彎曲

截齒在遇到一些特殊工況時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的截割力致使截齒在滾筒上發(fā)生位置的轉(zhuǎn)移變化。另外，截齒本身雖然剛開(kāi)始發(fā)生的是塑性變形，但隨著產(chǎn)煤過(guò)程的持續(xù)，塑性變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰玫膹澢冃?。截齒位置的變化和齒身彎曲變形共同作用，導(dǎo)致截齒失去應(yīng)有的作用，難以完成工作任務(wù)。

1.5 齒身折斷

齒身折斷一般是由三方面原因造成的。

一是由于截齒自身的原因，在制造時(shí)，熱壓的原因，不可避免的會(huì)產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，在使用中就容易形成裂縫，最終折斷。

二是工況復(fù)雜，有時(shí)會(huì)遇到堅(jiān)硬的巖石或者夾雜，瞬時(shí)載荷超過(guò)截齒的需用強(qiáng)度，從而造成折斷。

三是采煤機(jī)司機(jī)的不當(dāng)操作造成的，比如切割到頂板等情況。

1.6 截齒丟失

截齒與滾筒之間連接不牢靠和連接固定裝置的磨損是截齒丟失主要原因。另外，檢修人員沒(méi)有定期認(rèn)真的對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行檢修保養(yǎng)，也是一個(gè)不可忽視的因素。

通過(guò)實(shí)踐及大量的研究表明，截齒的失效形式與工況環(huán)境以及操作檢修有著極為密切的聯(lián)系。煤質(zhì)較硬且矸石較多時(shí)，主要是失效形式為硬質(zhì)合金頭脫落和崩刃；煤質(zhì)較為松軟時(shí)，截齒的主要失效形式為磨損；遇到特殊地質(zhì)情況、操作不當(dāng)或沒(méi)有按照規(guī)程檢修及保養(yǎng)時(shí)，就容易發(fā)生齒身彎曲、折斷及丟失等問(wèn)題。

2 采煤機(jī)截齒失效故障樹(shù)分析研究

根據(jù)前面對(duì)的分析，建立采煤機(jī)截齒失效故障樹(shù)，見(jiàn)圖1，符號(hào)含義如表1所示。

圖1 采煤機(jī)截齒失效故障樹(shù)

表1 采煤機(jī)截齒失效故障樹(shù)符號(hào)含義說(shuō)明

對(duì)圖1所示故障樹(shù)進(jìn)行定性分析，求最小割集，以此判斷相關(guān)底事件對(duì)與頂事件的影響。布爾運(yùn)算方法見(jiàn)式（1）：

從（1）可以看出，采煤機(jī)截齒失效故障樹(shù)的最小割集為 {x1}，{x2}，{x3}，……，{x8·x9}，{x10}，{x11}，{x12}，{x13·x14}。 因此， 除了割集 {x8x9}和{x13x14}外，其余割集均是單一事件，系統(tǒng)可靠性較差。

根據(jù)布爾運(yùn)算結(jié)果，根據(jù)式（2）計(jì)算頂事件概率，當(dāng)已知每個(gè)因素發(fā)生概率時(shí)就可以求得整個(gè)故障的發(fā)生概率。

則：

3 提高截齒壽命的對(duì)策

3.1 設(shè)計(jì)方面

（1）截齒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真相結(jié)合的手段，優(yōu)化采煤機(jī)截割頭的尺寸、螺旋線升角及幾何外形。除了對(duì)截割頭進(jìn)行宏觀的優(yōu)化，還應(yīng)當(dāng)對(duì)截齒的外形結(jié)構(gòu)、分布情況、截割參數(shù)等細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)，使截割頭上的每一個(gè)截齒受力和磨損基本相同，采煤機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)、產(chǎn)能穩(wěn)定，最終達(dá)到延長(zhǎng)截齒壽命，減少更換截齒頻率的目的。

（2）選擇合適的金屬牌號(hào)

要延長(zhǎng)截齒的壽命，截齒的幾何機(jī)構(gòu)和金屬材料不是一成不變的，需要根據(jù)實(shí)際情況，特別是煤層硬度對(duì)金屬牌號(hào)進(jìn)行選擇。一般情況下，煤層較軟的情況多選擇YG11或者YG13合金刀頭；硬度較高的情況時(shí)，則多會(huì)選擇含YG25及表面進(jìn)行涂層處理的刀頭。

3.2 制造方面

（1）裝配精度要高

只有按技術(shù)要求將截齒裝配在齒座中，截齒才能在截割過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然在其后的生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法避免磨損，但由于是均勻磨損，所以始終能夠保持刀齒的鋒利，滿足使用要求。

（2）釬焊工藝要好

齒身和齒頭通過(guò)釬焊工藝進(jìn)行連接，焊接的工藝性就顯得非常重要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，焊縫的大小直接決定釬焊的質(zhì)量，一般來(lái)說(shuō)焊縫在0.08～0.15之間，焊接出來(lái)的效果最好，截齒的壽命最長(zhǎng)。

（3）提高熱處理水平

在上世紀(jì)90年代以前，截齒的加工需要兩次熱處理過(guò)程，雖然截齒的硬度能夠保證，但由于熱處理次數(shù)較多，難免會(huì)使齒頭變脆，并且容易在截齒內(nèi)部由于殘余應(yīng)力的作用造成微裂縫。90年代中后期提出截齒釬焊和熱處理一體化工藝，釬焊、熱處理在真空爐中加熱一體化完成，避免了釬焊完成后空冷淬火，多次熱處理的問(wèn)題，在保證截齒表面硬度的基礎(chǔ)上，有效的提高了截齒的韌性，延長(zhǎng)了截齒的壽命。

（4）采用“三高”工藝

把高純鎢粉、高溫碳化、高溫還原三項(xiàng)新技術(shù)運(yùn)用到硬質(zhì)合金齒頭的加工中，稱為“三高”工藝。采用“三高”工藝生產(chǎn)的硬質(zhì)合金質(zhì)地均勻，在力學(xué)性能方面得到了極大的提高。

（5）表面熱噴涂

傳統(tǒng)的表面硬化熱處理工藝，如滲碳、滲氮、碳氮共滲工藝，不僅耗時(shí)長(zhǎng)，熱變形大，而且容易產(chǎn)生微裂紋。采用熱噴涂工藝，時(shí)間斷，熱變形小，而且會(huì)在齒頭表面形成一層硬度極高的耐磨層。

（6）推廣堆焊強(qiáng)化技術(shù)

由于齒頭和齒身在釬焊加工中的焊縫的存在，所以在實(shí)際使用中，容易產(chǎn)生硬質(zhì)合金齒頭脫落、磨損等失效情況，為了減少該情況的發(fā)生，提出堆焊表面強(qiáng)化技術(shù)。堆焊表面強(qiáng)化技術(shù)就是在齒頭及齒頭與齒身的連接處，用耐磨焊絲進(jìn)行堆焊，從而提高齒頭的耐磨性，夯實(shí)齒頭與齒身的連接性，最終全面提升截齒的綜合機(jī)械性能。

3.3 使用方面

（1）截齒的選擇

在使用截齒截割煤巖時(shí)，應(yīng)根據(jù)煤巖的軟硬程度及夾雜的情況進(jìn)行選型，不能一概而論。在截割過(guò)程中，如果遇到比較大的阻力，可以適當(dāng)降速，提升切割力，防止電機(jī)過(guò)載。

（2）維護(hù)和保養(yǎng)

在使用中，要時(shí)刻注意截割頭的狀態(tài)，如果發(fā)出異響或者其他緊急情況應(yīng)及時(shí)停機(jī)檢查。定期對(duì)刀齒進(jìn)行檢查與保養(yǎng)，當(dāng)硬質(zhì)合金齒頭被磨去2 mm以上時(shí)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)更換。另外，如果發(fā)現(xiàn)丟齒或者折斷現(xiàn)象，也必須及時(shí)添補(bǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，只有通過(guò)對(duì)截齒的失效情況進(jìn)行深入的研究，才能從設(shè)計(jì)、制造、使用三個(gè)方面入巷圍巖控制技術(shù)手提出相應(yīng)的對(duì)策，降低截齒失效的可能性，提高截齒使用的可靠性，延長(zhǎng)截齒的使用壽命。在生產(chǎn)實(shí)踐中，不僅減少了截齒的使用量，降低了采購(gòu)成本；還能大大縮短截齒的檢修更換時(shí)間，提高煤炭生產(chǎn)效率，為大型高產(chǎn)礦井的建設(shè)和發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。