故障模式影響法在采煤機(jī)截齒風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

張慧超

（同煤集團(tuán)四臺(tái)礦機(jī)掘六隊(duì)，山西 大同 037001）

截齒是采煤機(jī)截割煤壁時(shí)與煤巖直接接觸的最終端，是整個(gè)采煤機(jī)中使用量最大、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，要盡量避免出現(xiàn)截齒失效。

故障模式影響法（簡稱為FMEA）的研究對象是系統(tǒng)中的各個(gè)零部件，通過判斷零部件可能發(fā)生的故障類型、嚴(yán)重程度、發(fā)生頻率和發(fā)現(xiàn)難易度來判斷會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響大?。L(fēng)險(xiǎn)度大?。Ｒ虼?，對采煤機(jī)截齒進(jìn)行失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)的改進(jìn)對策，具有一定的意義。

1 截齒常見的失效形式分析

1.1 硬質(zhì)合金頭松動(dòng)

截齒大多是以優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼作為齒體，通過釬焊的方法，利用銅基釬料把硬質(zhì)合金焊接到截齒齒頭。首先由于釬焊焊接工藝的問題，截齒釬焊焊縫的間隙大小對焊接質(zhì)量具有決定性的作用。如果焊縫太小，焊料難以流入；如果焊縫過大，又容易出現(xiàn)虛焊假焊等現(xiàn)象。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，焊接中就不可避免地會(huì)出現(xiàn)夾焊、虛焊、焊接裂縫等問題。在截割過程中，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)，甚至脫落。

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)。一旦遇到堅(jiān)硬的巖石或礦料，拉應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用超過了硬質(zhì)合金的疲勞強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生碎裂。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、冷卻裂紋等問題。

1.3 截齒的磨損

（1）磨粒磨損

磨粒磨損主要是在截割過程中，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)不斷的惡劣工況下，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)截齒離開煤壁時(shí)，在冷卻噴霧的作用下，截齒會(huì)迅速降溫，這一過程會(huì)導(dǎo)致截齒硬度下降。隨著繼續(xù)使用，截齒溫度周期性交變，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，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，截齒本身雖然剛開始發(fā)生的是塑性變形，但隨著產(chǎn)煤過程的持續(xù)，塑性變形逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛谰玫膹澢冃危?yīng)有的作用。

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)硬的巖石或者雜質(zhì)，瞬時(shí)載荷超過截齒的需用強(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。

通過實(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、折斷等問題。

2 采煤機(jī)截齒失效風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

2.1 FMEA分析方法

FMEA法的重點(diǎn)內(nèi)容是從嚴(yán)酷度、發(fā)生概率、發(fā)現(xiàn)難易度分析，最終進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定。

（1）嚴(yán)酷度劃分

嚴(yán)酷度是指故障類型發(fā)生后，對整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)產(chǎn)生的影響與危害大小。具體參數(shù)如表1所示。

表1 采煤機(jī)截齒失效嚴(yán)酷度劃分等級(jí)表

（2）發(fā)生概率劃分

發(fā)生概率是指故障發(fā)生的可能性。取值可根據(jù)發(fā)生可能性的高低從表2中選擇。

表2 故障發(fā)生概率取值表

（3）發(fā)現(xiàn)難易程度劃分

發(fā)現(xiàn)難易程度是指故障模式出現(xiàn)時(shí)，能否及時(shí)發(fā)現(xiàn)和進(jìn)行相應(yīng)的操作。取值如表3所示。

表3 故障發(fā)現(xiàn)難易程度取值表

（4）風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

對系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)性的綜合判斷。這一評(píng)價(jià)是對嚴(yán)酷度、發(fā)生概率以及發(fā)現(xiàn)難易程度的綜合考慮。其計(jì)算方法如式（1）所示：

式中：

S-嚴(yán)酷度；

O-概率；

D-找到故障原因的難易程度。

2.2 四臺(tái)礦采煤機(jī)截齒故障風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)FMEA的基本原理，結(jié)合四臺(tái)礦實(shí)際情況，對采煤機(jī)截齒故障風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行分析。分析主要是脫落、崩刃、磨損、折斷和彎曲等故障類型。通過與現(xiàn)場工人、技術(shù)人員、管理人員的溝通，對各個(gè)模式進(jìn)行了評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)分析與結(jié)果均體現(xiàn)在表4中。

表4 四臺(tái)礦采煤機(jī)截齒故障風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果

從表4中可以看出，RPN結(jié)果最大的是合金頭松動(dòng)，因此，在設(shè)備使用和維護(hù)過程中要特別注意這一故障模式，采取相應(yīng)的措施。S類型中等級(jí)最高的是崩刃和折斷，在使用中必須避免這一故障的出現(xiàn)。

3 四臺(tái)礦提高截齒壽命的對策

通過理論分析和多年的現(xiàn)場實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，四臺(tái)礦制定了提高截齒使用壽命的對策，主要有以下幾個(gè)方面。

3.1 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，截齒才能在截割過程中實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然在其后的生產(chǎn)過程中無法避免磨損，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

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

（3）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。

3.2 日常工作

（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。定期對刀齒進(jìn)行檢查與保養(yǎng)，當(dāng)硬質(zhì)合金齒頭被磨去2mm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)。

3.3 應(yīng)用效果

采煤機(jī)截齒風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算方法為對策制定提供了理論依據(jù)，改變了以往通過經(jīng)驗(yàn)判斷的方法，提高所指定措施的科學(xué)性。四臺(tái)礦制定了采煤機(jī)截齒壽命提高措施后，截齒故障有了明顯減少。該理論僅是初步探討其應(yīng)用性的好壞，還有很多不足之處需要完善，不過實(shí)踐證明這一方法是可行的。

4 結(jié)語

在煤礦生產(chǎn)中，采煤機(jī)截齒故障非常常見，但是在故障分析和對策制定方面多以經(jīng)驗(yàn)為主，缺少一定的理論分析。利用FMEA法，可以進(jìn)行截齒失效風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算，為對策制定提供依據(jù)。同時(shí)，結(jié)合理論與現(xiàn)場實(shí)踐的措施，能夠更加有效提高截齒使用壽命。