采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的截齒失效原因及改進(jìn)措施

林杭

摘 要：在煤礦生產(chǎn)過程中，采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)使用的截齒容易出現(xiàn)失效問題，嚴(yán)重影響煤礦生產(chǎn)效率。所以，本文分析了截齒失效的原因，以確保煤礦生產(chǎn)井然有序。要想合理完善截齒，人們不僅需要從采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)的設(shè)計(jì)、工藝和實(shí)際操作方面提出有效的措施，更要具體分析截齒的各類失效形式，從而對(duì)癥下藥，延長(zhǎng)其使用壽命。

關(guān)鍵詞：采煤機(jī);掘進(jìn)機(jī);截齒失效;改進(jìn)措施

中圖分類號(hào)：TD421.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）35-0074-03

Abstract： In the production process of coal mines， the picks used in coal mining machines and roadheaders are prone to failure， which seriously affects coal mine production efficiency. Therefore， this paper analyzed the reasons for the failure of the picks to ensure the orderly production of coal mines. In order to improve the picks reasonably， people not only need to propose effective measures from the design， technology and actual operation of the shearer and roadheader， but also specifically analyze the various failure modes of the picks， so as to prescribe the right medicine and extend their service life.

Keywords： shearer;roadheader;pick failure;improvement measures

截齒是煤礦采煤機(jī)和巷道掘進(jìn)機(jī)經(jīng)常使用的刀具，隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，二者的性能要求越來越高，而截齒本身質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的生產(chǎn)效率與企業(yè)生產(chǎn)成本有重要影響。當(dāng)前，為了進(jìn)一步滿足煤炭開采需求，截齒生產(chǎn)企業(yè)必須確保截齒質(zhì)量，防止在煤礦生產(chǎn)過程中出現(xiàn)截齒失效。截齒本身對(duì)材料有較高的要求，要想確保截齒的有效性，就需要在提升截齒的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、彎曲強(qiáng)度和耐腐蝕性上下功夫。因此，本文綜合討論了如何延長(zhǎng)截齒使用壽命與提升截齒生產(chǎn)效率，并結(jié)合相關(guān)生產(chǎn)制造工藝，提出改進(jìn)措施，以期促進(jìn)截齒的有效應(yīng)用。

1 截齒的工作原理

采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)是煤礦開采的核心設(shè)備，二者都需要借助截齒來進(jìn)行工作。其中，采煤機(jī)必須借助安裝在旋轉(zhuǎn)滾筒上的截齒來進(jìn)行煤層切割與開采，尤其是在截割煤礦石的過程中，截齒承受的周期性壓應(yīng)力、剪應(yīng)力及沖擊載荷是非常大的，因此其就有可能出現(xiàn)失效[1]。一般來說，齒體會(huì)在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)磨損、變形、斷裂以及齒頭的硬質(zhì)合金破碎與脫落的情況。在生產(chǎn)過程中，截齒的幾何形狀、齒尖角度等都會(huì)影響截齒的使用壽命，人們要明確周遭裝夾情況和采煤條件，但是主要影響因素在于截齒材料本身。下面將針對(duì)截齒失效形式進(jìn)行具體分析。

2 截齒失效原因

2.1 磨損與斷裂

在截割煤層的過程中，截齒會(huì)與煤層產(chǎn)生劇烈的摩擦，容易出現(xiàn)磨損。一般來說，根據(jù)截齒的應(yīng)力規(guī)律，受力點(diǎn)更多地分布在截齒的頭部，這些地方的磨損最為顯著，如果截齒褲體產(chǎn)生磨損，就會(huì)導(dǎo)致失效。截齒自身的磨損與斷裂問題是導(dǎo)致截齒失效的重要原因。如果截齒褲體產(chǎn)生較大的磨損，就會(huì)導(dǎo)致截齒頭部的硬質(zhì)合金暴露，截齒工作能力因此喪失。

有時(shí)，雖然截齒磨損較少，但是仍然會(huì)出現(xiàn)截齒斷裂的情況。主要原因是在煤礦石截割過程中，過大的沖擊力導(dǎo)致刀頭始終處在高壓應(yīng)力狀態(tài)，因此如果煤礦石中有較為堅(jiān)硬的煤矸石，在齒刃與煤礦石接觸的過程中，若出現(xiàn)剪應(yīng)力超過合金強(qiáng)度極限的情況，就會(huì)發(fā)生截齒斷裂，這主要由截齒材料來決定。這種缺陷可以看作是裂紋源，因?yàn)閼?yīng)力作用讓裂紋源得到拓展，從而發(fā)生斷裂。所以，選用截齒材料時(shí)，要確保其強(qiáng)度與韌性，避免出現(xiàn)失效情況[2]。

2.2 硬質(zhì)合金齒頭的質(zhì)量

在煤礦石截割的過程中，礦石中較為堅(jiān)硬的礦料會(huì)使得刀頭始終處于高壓應(yīng)力狀態(tài)，這樣就會(huì)導(dǎo)致截齒刃部也始終處于高壓應(yīng)力狀態(tài)，如果其與煤礦石之間存在接觸不良的情況，就會(huì)因?yàn)檫^高的剪應(yīng)力而產(chǎn)生拉應(yīng)力，拉應(yīng)力同樣會(huì)導(dǎo)致其在超過合金強(qiáng)度極限后出現(xiàn)刀頭斷裂。此外，在煤礦生產(chǎn)過程中，截齒也會(huì)受到較大的磨損，導(dǎo)致齒尖原本的硬質(zhì)合金出現(xiàn)脫落，這在早期或者后期都很容易發(fā)生。早期脫落的危害更大，早期脫落會(huì)導(dǎo)致截齒在很短的工作時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)報(bào)廢，因?yàn)橛操|(zhì)合金刀頭的掉落會(huì)使得截齒失去效用。經(jīng)過實(shí)踐分析，一般來說，硬質(zhì)合金的脫落與齒頭的釬焊質(zhì)量有著密不可分的關(guān)系，焊接處不能有夾砂或者微裂紋，否則就有可能導(dǎo)致焊縫抗剪強(qiáng)度不足。如果焊縫間隙的大小安排不合理，在釬焊過程中偷工減料，也會(huì)形成虛焊，導(dǎo)致硬質(zhì)合金頭松動(dòng)，甚至后期還會(huì)產(chǎn)生脫落。

截齒褲體材料的硬度與耐磨性也會(huì)影響硬質(zhì)合金刀頭的工作，如果其硬度與耐磨性不能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，就會(huì)導(dǎo)致包持力不夠，最終發(fā)生硬質(zhì)合金脫落。所以，要加固截齒的各個(gè)部件，進(jìn)一步提升釬焊質(zhì)量，保證硬質(zhì)合金在生產(chǎn)過程中不會(huì)出現(xiàn)脫落。

3 截齒生產(chǎn)工藝

3.1 軋制鍛造成型

首先，在模鍛鍛造的基礎(chǔ)上對(duì)軋制的棒料進(jìn)行加工，將其制成毛坯料，然后通過鍛造與機(jī)械加工使其形成截齒褲體，之后對(duì)截齒頭部的硬質(zhì)合金進(jìn)行釬焊和熱處理。一般來說，熱處理主要分為兩種，如果截齒材料本身的淬透性比較高，就會(huì)在硬質(zhì)合金釬焊時(shí)運(yùn)用余熱來進(jìn)行淬火或者強(qiáng)制空冷，這是第一種熱處理方式。而第二種熱處理方式是先對(duì)釬焊硬質(zhì)合金進(jìn)行重新加熱，待其達(dá)到一定溫度時(shí)，再對(duì)其進(jìn)行淬火與強(qiáng)制空冷，此時(shí)經(jīng)過熱處理的部件在加熱時(shí)就會(huì)受到釬焊焊縫金屬的限制，需要注意的是，加熱溫度不能過高，否則可能會(huì)影響焊縫質(zhì)量。

3.2 鑲鑄

截齒毛坯可以通過鑄造或者鑲鑄來進(jìn)行生產(chǎn)。一般來說，在鑲鑄工序中，首先要對(duì)齒體與硬質(zhì)合金進(jìn)行一次復(fù)合鑄造，使其成型，再通過機(jī)械加工與熱處理的方式來實(shí)現(xiàn)鑲鑄。這種方法雖然能夠進(jìn)一步提升部件質(zhì)量，但是鑄造工藝要求較高，一般來說，只有大功率的綜采機(jī)截齒才會(huì)應(yīng)用鑲鑄方法進(jìn)行截齒生產(chǎn)。就目前的機(jī)械加工應(yīng)用趨勢(shì)來看，許多生產(chǎn)商更偏向于通過鍛造成型配合機(jī)械加工的方式來完成截齒生產(chǎn)。

4 改善方法

4.1 材料選擇

截齒刀頭的應(yīng)用需要考慮煤礦石的硬度，人們要按照實(shí)際生產(chǎn)情況來選擇相對(duì)應(yīng)的硬質(zhì)合金刀頭。若煤礦石硬度較小，截齒的合金刀頭牌號(hào)可以選擇以下兩種，分別是YG11和YG13[3]。倘若煤礦石的硬度較高，為了確保硬質(zhì)合金刀頭的有效性，人們需要選用含有較多Co的合金刀頭，這種刀頭一般具有良好的耐磨性，例如，YG25就是很好的選擇。此外，根據(jù)具體生產(chǎn)情況，工作人員可以選用硬度較高的復(fù)合硬質(zhì)合金材料。優(yōu)質(zhì)合金鋼在截齒齒體中應(yīng)用較為普遍，這一類材料具有優(yōu)秀的抗沖擊能力和很高的疲勞極限，但也存在回火脆性缺陷，倘若生產(chǎn)過程頻頻遇到高溫，就會(huì)影響截齒齒體質(zhì)量。目前，優(yōu)質(zhì)合金鋼有35CrMnSi、42CrMo等，相對(duì)而言，35CrMnSi使用更加廣泛，但是42CrMo綜合性能更好。不同截齒的化學(xué)成分會(huì)有一定差別，如表1所示。

4.2 工藝改進(jìn)

截齒刀頭與齒體之間的連接方式對(duì)截齒質(zhì)量有較為顯著的影響，雖然傳統(tǒng)的釬焊方式已經(jīng)能夠保證截齒硬度，但是操作工藝單一，會(huì)在強(qiáng)度上造成不良影響。為了解決這一問題，人們就會(huì)采用熱處理的方式來保證釬焊過后焊縫具備相當(dāng)大的強(qiáng)度[4]。此外，可通過激光熔覆、堆焊和鑲焊合金的技術(shù)來對(duì)截齒進(jìn)行保護(hù)，這些技術(shù)能夠延長(zhǎng)截齒壽命，研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)用技術(shù)保護(hù)的截齒壽命要比沒有經(jīng)過技術(shù)保護(hù)的截齒壽命長(zhǎng)20%以上。經(jīng)過工藝改進(jìn)，截齒物理性能有了新的突破，如表2所示。

4.3 優(yōu)化工作方式

對(duì)于截齒的選擇，首先考慮的是煤礦石的硬度，但是同樣要注意周遭的工作環(huán)境，因?yàn)槊旱V地質(zhì)情況往往較為復(fù)雜，人們要根據(jù)不同煤層狀態(tài)，合理調(diào)整截割速度，進(jìn)一步保護(hù)截齒，防止截齒在工作過程中出現(xiàn)失效。工作人員要盡可能地防止截齒與截割下來的煤礦石接觸，這樣容易使得齒體因?yàn)樽杂苫顒?dòng)受限而出現(xiàn)偏磨，長(zhǎng)此以往會(huì)造成合金刀頭掉落。此外，要及時(shí)更換已經(jīng)失效的截齒，為采煤安全提供基本保證，只要刀頭被磨去1.5 mm以上，就要注意更換，確保截齒與煤礦石的接觸面積不大于1 cm2，從而進(jìn)一步延長(zhǎng)截齒工作壽命，確保采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)不會(huì)出現(xiàn)額外負(fù)擔(dān)[5]。

5 結(jié)語

國(guó)內(nèi)外對(duì)煤礦開采的研究都引起了廣泛的關(guān)注，因?yàn)槟茉幢旧砭完P(guān)系人類的未來發(fā)展，所以人們針對(duì)煤層的機(jī)械性與物理性等內(nèi)容展開了研究。目前，有關(guān)截齒失效的研究可謂多種多樣，從截齒的設(shè)計(jì)原理開始，到制造工藝，再到實(shí)際操作，尋找截齒失效的原因，并從其生產(chǎn)設(shè)計(jì)到工作環(huán)境，提出有效的解決辦法，進(jìn)一步提升煤炭企業(yè)的截齒使用效率。目前，截齒失效情況已經(jīng)得到很大的改善，但是仍然不能完全避免，今后仍然需要繼續(xù)努力，提升截齒工作效率，延長(zhǎng)使用壽命。

參考文獻(xiàn)：

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