采煤機(jī)截齒分析與優(yōu)化

張新

摘? ? 要：現(xiàn)階段，隨著社會(huì)的發(fā)展，我國的煤礦工程的發(fā)展也突飛猛進(jìn)。采煤機(jī)是煤礦“三機(jī)”之一，是集機(jī)、電、液為一體的大型現(xiàn)代化采煤機(jī)械。由于工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，受力較大，在高強(qiáng)度、高負(fù)荷的采煤生產(chǎn)作業(yè)中，采煤機(jī)的一些機(jī)械部件經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)磨損失效的問題。其中截齒做為落煤、碎煤的主要工具，是采煤機(jī)的易損件之一，截齒的磨損失效問題也是比較常見的。如果截齒出現(xiàn)磨損失效，則會(huì)直接影響到采煤機(jī)的截割性能和采煤效率，影響正常的采煤生產(chǎn)，同時(shí)也會(huì)影響到其他相關(guān)零部件的使用壽命。通過對(duì)采煤機(jī)截齒失效形式及其原因的分析，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，使截齒綜合性能得到提高，使用壽命延長，滿足當(dāng)前煤礦采煤機(jī)械化下安全生產(chǎn)和高效生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī);截齒分析;優(yōu)化

1? 引言

采煤機(jī)是煤礦井下采煤的關(guān)鍵設(shè)備之一，我國大多數(shù)使用的是滾筒采煤機(jī)，采煤機(jī)上的截齒是截割煤巖塊的主力零件。由于井下工況環(huán)境十分惡劣與復(fù)雜，突出堅(jiān)硬煤巖體較多，所以采煤機(jī)滾筒失效時(shí)有發(fā)生。而且為了使對(duì)煤巖體的破壞力度達(dá)到最大，一般采用尖銳的滾筒截齒，這樣會(huì)減輕截齒上的力，破碎煤巖體。采煤機(jī)截齒的采煤方式是通過旋轉(zhuǎn)的方式，所以截齒磨損部位大都相同，為了保持截齒的尖銳性，滾筒一般采用的是自磨刃的方式。為了保持采煤機(jī)的高工作效率，還需對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行時(shí)截齒的受力進(jìn)行分析，對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)，從而提升采煤機(jī)工作性能。

2? 截齒失效形式及原因分析

截齒是采煤機(jī)對(duì)煤巖進(jìn)行截割的主要工具，它與煤巖直接接觸做功，因而在采煤截割作業(yè)時(shí)，尤其是遇到煤層中堅(jiān)硬物質(zhì)時(shí)，截齒會(huì)承受比較大的剪切力和沖擊荷載。繼而使截齒發(fā)生磨損變形，刀頭脫落，齒身折斷等問題，導(dǎo)致截齒失效，具體分析，截齒失效的形式及原因主要有以下。

2.1? 截齒磨損

①磨粒磨損是截齒磨損的主要形式，采煤機(jī)在截割煤巖的過程中，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些大小不等且質(zhì)地堅(jiān)硬的磨粒，這些磨粒會(huì)在高強(qiáng)度壓應(yīng)力作用下壓入齒面。久而久之則會(huì)造成截齒的磨損和鈍化，在反復(fù)的塑性變形作用下還會(huì)使截齒表面材料產(chǎn)生裂紋，甚至脫落，使截齒強(qiáng)度下降;②疲勞磨損，截齒材質(zhì)主要為低合金結(jié)構(gòu)鋼，截齒在截割作業(yè)過程中，長期間歇性的荷載沖擊，循環(huán)應(yīng)力作用，以及刀頭溫升交替下反復(fù)的熱脹冷縮，都會(huì)使截齒硬度下降，產(chǎn)生金屬疲勞，繼而加快截齒磨損，增加斷齒的風(fēng)險(xiǎn);③腐蝕磨損，主要是井下環(huán)境中的水和煤層中一些硫化物等腐蝕介質(zhì)，與截齒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而造成的齒面腐蝕破壞。

2.2? 截齒刀頭脫落

截齒刀頭為合金材質(zhì)，焊接于齒體端部，采煤截割中由于較大的沖擊力影響，刀頭焊接部位會(huì)受到不同方向的應(yīng)力作用。使用過程中當(dāng)磨損達(dá)到一定程度時(shí)，由于焊縫或焊部缺陷處產(chǎn)生的應(yīng)力集中問題，會(huì)使刀頭無法克服應(yīng)力而脫落，繼而導(dǎo)致截齒完全失效。

2.3? 刀頭崩刃

當(dāng)?shù)额^在截割過程中遇到煤層中的堅(jiān)硬物質(zhì)時(shí)，齒刃遇到的切應(yīng)力和壓應(yīng)力會(huì)突然增大，如果應(yīng)力值超過刀頭可承受的應(yīng)力極限時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生崩刃。崩刃會(huì)使刀頭鈍化，影響截割效率，并導(dǎo)致截割中刀頭受到的阻力和應(yīng)力增大，加快截齒失效。

2.4? 齒身變形折斷

截割煤巖過程中，刀頭會(huì)受到應(yīng)力變化，溫度變化，沖擊荷載和環(huán)境腐蝕等多方面問題的影響，進(jìn)而使齒身因金屬疲勞而發(fā)生彎曲變形甚至折斷，而使截齒完全失效。

3? 提升截齒可靠性的方法

截齒截割煤體時(shí)，截齒最常見的失效形式是磨損（磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損）。截齒材料是防止截齒磨損失效的有效方法。除了采用硬度較大的截齒，還得做好防護(hù)措施，如利用堆焊的方法加固表面。應(yīng)用最廣的就是激光熔覆和熱圖噴技術(shù)。當(dāng)煤巖體硬度較大時(shí)，需選擇具有良好韌性和塑性的截齒，當(dāng)硬度較低時(shí)，截齒硬度也應(yīng)相應(yīng)的增加，從而來達(dá)到更好的截割效果。如果煤巖層節(jié)理和層理脆度較低時(shí)可選擇鎬形截齒，如果節(jié)理不脆時(shí)就得采用刀形截齒截割效果更好。另一個(gè)提升采煤機(jī)截割性能的就是調(diào)整采煤機(jī)滾筒合理的截齒安裝角度。主要包含沖擊角、傾斜角和歪斜角。由于沖擊部位不斷受到煤巖體的沖擊，所以一般固定沖擊角，角度設(shè)置在40°～50°之間。采煤機(jī)滾筒截齒的截割阻力與截齒沖擊角的變化成反比，即沖擊角增大，截割阻力減小。與歪斜角和傾斜角成正比，歪斜角增大，截割阻力也增大。在進(jìn)行截齒設(shè)計(jì)時(shí)，要充分利用摩擦力學(xué)的相關(guān)知識(shí)，使得滾筒截齒與煤巖體之間的摩擦力最低，減少滾筒截齒的磨損程度。而且在遇到極薄煤層時(shí)，需要重新設(shè)置滾筒截齒參數(shù)，來更好地切割極薄煤層，避免因?yàn)榻佚X與煤體摩擦過度，而導(dǎo)致截齒失效。這樣不僅保護(hù)了了截齒的齒尖，增強(qiáng)了截割性能，也延長了截齒的使用時(shí)間。

4? 采煤機(jī)截齒失效的防治措施

4.1? 合理選擇截齒

礦用截齒的選擇首先必須保證其具有足夠的強(qiáng)度和韌性，同時(shí)還要具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，因此，截齒材料性能非常關(guān)鍵。采煤機(jī)截齒常選用42CrMo、35CrMnSi、Si—Mn—Mo系準(zhǔn)貝氏體鋼等鋼種作為齒身材料。此外不同結(jié)構(gòu)特征的截齒，其力學(xué)性能也有很大的差異，采煤機(jī)中常用的有刀型截齒和鎬型截齒，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)煤巖的物理機(jī)械性質(zhì)合理選用。一般對(duì)于韌性較大，節(jié)理不發(fā)達(dá)的軟質(zhì)煤層宜選用硬度較高的刀型截齒;而對(duì)于較為硬、脆的煤層較適用韌性較好的鎬型截齒。

4.2? 采用表面強(qiáng)化技術(shù)

磨損和腐蝕是導(dǎo)致截齒失效的最主要原因，因此為了提高截齒壽命，降低斷齒風(fēng)險(xiǎn)，除了選用合適材料外，還應(yīng)采取各種表面強(qiáng)化技術(shù)以提高截齒的耐磨性，耐腐蝕性等理化性能。采煤機(jī)截齒常用的表面強(qiáng)化技術(shù)有等離子熔覆、激光熔覆、熱噴涂、堆焊等，可使截齒表面硬度、耐磨性、抗腐蝕性和抗氧化性等各類性能顯著改善，提高設(shè)備使用壽命和截割效率，從而適應(yīng)惡劣井下環(huán)境中高強(qiáng)度的采煤作業(yè)。

4.3? 優(yōu)化截齒安裝角度

截齒安裝角度的不同可影響其在采煤截割中的受力情況，因此截齒安裝角度對(duì)于采煤機(jī)截割性能和截齒使用壽命都有著重要影響。截齒安裝角度一般有歪斜角、傾斜角和沖擊角，通過生產(chǎn)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，截齒歪斜角、傾斜角增大，截割阻力和截齒磨損也會(huì)加劇;沖擊角增大，則截割阻力和磨損會(huì)相應(yīng)減小。因此在生產(chǎn)中截割深度一定時(shí)，可通過增大安裝角度來降低摩擦力和阻力，但安裝角度也不可過大，以免影響正常截割。這就需要我們?cè)谏a(chǎn)實(shí)踐中不斷加以研究總結(jié)和設(shè)計(jì)優(yōu)化，以根據(jù)煤層情況采用最合適截齒安裝角度。

5? 結(jié)束語

采煤機(jī)截齒失效的形式有很多，且原因比較復(fù)雜，涉及到機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、熱力學(xué)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)。對(duì)于煤層開采中截齒過快磨損和失效的問題，應(yīng)從多方面綜合考慮，通過合理選擇截齒，表面強(qiáng)化，優(yōu)化安裝角度等措施加以解決。從而提高截齒使用壽命，保證采煤機(jī)的正常使用，減少因截齒失效而造成的損失。

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