采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴失效分析及優(yōu)化改進(jìn)研究

王奮雄，胡海洋

（1.西安重裝澄合煤礦機(jī)械有限公司，陜西渭南 715300；2.陜西澄合合陽(yáng)煤炭開(kāi)發(fā)有限公司，陜西渭南 715300）

0 引言

我國(guó)是煤炭生產(chǎn)大國(guó)，煤炭消耗一直占據(jù)著我國(guó)能源消耗榜的前列，對(duì)煤炭資源的需求量也在日益增加[1]。因此，煤礦企業(yè)應(yīng)該提高煤炭資源的開(kāi)采工作效率，對(duì)各類(lèi)采煤機(jī)械采取正確的日常管理措施，確保開(kāi)采效率不會(huì)受到設(shè)備故障的影響。其中，采煤機(jī)是煤礦物料生產(chǎn)效率的關(guān)鍵機(jī)械設(shè)備，通過(guò)切削齒直接與煤層進(jìn)行接觸，使煤炭脫落。采煤機(jī)通過(guò)在工作面不斷的行走，在不同位置的煤層進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)。導(dǎo)向滑靴是確保采煤機(jī)正常行走的機(jī)械部件，一是確保采煤機(jī)的行走齒輪與軌道齒輪正常的擬合；二是起到導(dǎo)向作用，確保采煤機(jī)在軌道上沿正確的方向運(yùn)行。兩者的作用對(duì)于采煤機(jī)的正常作業(yè)非常關(guān)鍵[2]。但是由于受到載荷作用力，在長(zhǎng)時(shí)間的工作狀態(tài)下導(dǎo)向滑靴容易發(fā)生部件表面的磨損、裂紋、斷裂等故障，導(dǎo)致采煤機(jī)無(wú)法正常工作甚至引發(fā)安全事故。如何防止導(dǎo)向滑靴產(chǎn)生故障失效是重要的研究?jī)?nèi)容[3]。

導(dǎo)向滑靴的失效形式較多并且?guī)?lái)的危害也不盡相同。從現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際情況進(jìn)行分析，得出導(dǎo)向滑靴常見(jiàn)的故障失效形式及其對(duì)應(yīng)的安全危害，為現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員提出預(yù)防解決的措施方案，提高導(dǎo)向滑靴的安全使用可靠性。

1 導(dǎo)向滑靴的故障失效與危害

導(dǎo)向滑靴主要是通過(guò)鉸接與各主要的部件進(jìn)行連接，形成了一種鉸聯(lián)結(jié)構(gòu)，采煤機(jī)通過(guò)該連接形式傳遞自身的重量，同時(shí)采煤機(jī)的截割反作用力也將傳遞至導(dǎo)向滑靴。由于惡劣工作環(huán)境的限制，導(dǎo)向滑靴與軌道、行走輪之間的接觸為無(wú)潤(rùn)滑狀態(tài)的摩擦接觸，在此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，從而改變材料的屬性，影響導(dǎo)向滑靴的使用壽命。通常導(dǎo)向滑靴的失效類(lèi)型主要有側(cè)面裂紋、側(cè)壁斷裂、底鉤斷裂等，造成導(dǎo)向滑靴的嚴(yán)重磨損、不能正常工作。

1.1 導(dǎo)向槽的前、后平面磨損與危害

導(dǎo)向槽的磨損是導(dǎo)向滑靴失效的常見(jiàn)形式，由于導(dǎo)向滑靴受到扭轉(zhuǎn)作用力，會(huì)使得導(dǎo)向滑靴的導(dǎo)向槽在與齒軌進(jìn)行接觸過(guò)程中不斷的產(chǎn)生摩擦作用，此時(shí)導(dǎo)向槽的前、后平面均會(huì)受到嚴(yán)重的磨損，影響行走輪的嚙合狀態(tài)（圖1）。

圖1 導(dǎo)向槽端面磨損

在工作載荷作用下，行走輪與導(dǎo)向滑靴之間的摩擦?xí)铀贀p耗，當(dāng)摩擦程度超過(guò)一定范圍后，就會(huì)損傷滑靴軸承的頂部蓋板內(nèi)的安裝螺栓，無(wú)法正常進(jìn)行拆卸。同時(shí)，側(cè)推力使得行走輪發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，在軸承的內(nèi)部將出現(xiàn)磨損，使軸承與軸的間隙越來(lái)越大，從而失去軸承的功能。導(dǎo)向槽的前、后平面的磨損不僅將對(duì)機(jī)械內(nèi)部造成故障，還會(huì)使導(dǎo)向槽的坡口面角度減小，失去與軌道之間的嚙合作用，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)卡軌、頂軌、脫軌等安全隱患[4]。

1.2 導(dǎo)向槽的上、下平面磨損與危害

采煤機(jī)切割滾筒正常工作時(shí)，齒軌被托起，同時(shí)溜槽會(huì)被導(dǎo)向槽的下平面托起，接觸摩擦力將減小，導(dǎo)向槽下表面的磨損量較小，并非主要磨損面。但是當(dāng)采煤工作面的地勢(shì)不平坦時(shí)，容易使齒軌水平面發(fā)生位移，在導(dǎo)向槽的上、下面留下在非正常位置工作時(shí)產(chǎn)生的磨損（圖2）。

圖2 導(dǎo)向槽上、下面磨損

導(dǎo)向槽上表面由于采煤機(jī)自身重量的因素，該表面的磨損最為嚴(yán)重，當(dāng)導(dǎo)向槽上表面的磨損超過(guò)一定范圍后上表面的坡口將會(huì)減小。上表面波口減小到一定程度后，就會(huì)出現(xiàn)齒軌連接失效，使行走機(jī)構(gòu)的工作負(fù)荷加大，形成動(dòng)態(tài)沖擊載荷。另外，上表面坡口的減小還會(huì)使中心輪的位置產(chǎn)生偏差，加劇行走輪的磨損和變形。

導(dǎo)向槽上表面的磨損情況將使得采煤機(jī)的工作處于非正常狀態(tài)，滾筒在切割煤炭時(shí)就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，形成更多不必要的沖擊載荷，降低采煤效率，嚴(yán)重影響采煤機(jī)底座部件的使用壽命，甚至?xí)?dǎo)致行走輪的齒輪斷裂。

2 失效原因分析

2.1 制造工藝因素

導(dǎo)向滑靴主要是通過(guò)鑄造進(jìn)行制作，容易在內(nèi)部形成氣孔、縮松、夾渣等質(zhì)量缺陷，該類(lèi)缺陷可通過(guò)實(shí)驗(yàn)室微觀設(shè)備觀察發(fā)現(xiàn)。在鑄造過(guò)程中的原料、溫度、程序是否合理等，將會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)向滑靴制造過(guò)程存在問(wèn)題[5]。

2.2 熱處理工藝因素

熱處理工藝的優(yōu)劣，決定了導(dǎo)向滑靴在抗拉伸、抗沖擊方面的性能。如果材料內(nèi)部出現(xiàn)了“鐵素體+珠光體”的殘余鑄態(tài)，采煤機(jī)在對(duì)煤炭進(jìn)行切割時(shí)就會(huì)出現(xiàn)抗沖擊韌性較低的情況，從而導(dǎo)致導(dǎo)向滑靴發(fā)生斷裂。

2.3 焊接工藝因素

焊接質(zhì)量受到焊接人員技術(shù)影響的因素更大，當(dāng)焊接材料內(nèi)部的融合組織為馬氏體時(shí)，焊接部位的韌性較低、脆性較大，不能承受沖擊載荷容易發(fā)生焊縫開(kāi)裂。

2.4 脫碳因素

當(dāng)導(dǎo)向滑靴發(fā)生脫碳現(xiàn)象后，各個(gè)零部件的表面強(qiáng)度將下降、耐磨性不足，從而在局部形成集中磨損現(xiàn)象，最終導(dǎo)致材料斷裂事故。

2.5 其他影響因素

銷(xiāo)排軌道的鋪設(shè)存在轉(zhuǎn)彎位置，當(dāng)導(dǎo)向滑靴通過(guò)該處時(shí)會(huì)受到擠壓力，在導(dǎo)向鉤的底部形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，如果一線工人操作不當(dāng)也會(huì)造成導(dǎo)向滑靴的斷裂事故。采煤機(jī)操作過(guò)程中液壓支架會(huì)推溜輸送機(jī)，該銜接工作不當(dāng)時(shí)也會(huì)加大導(dǎo)向滑靴和銷(xiāo)排的擠壓作用，導(dǎo)致滑靴斷裂。

3 采煤機(jī)工況對(duì)導(dǎo)向滑靴的影響

3.1 開(kāi)采角度的影響

當(dāng)采煤機(jī)仰（俯）角β＞0°時(shí)為仰采、β＜0°時(shí)為俯采，工作面傾角為零時(shí)采煤機(jī)斜切俯采和仰采如圖3 所示。

圖3 工作面角度零時(shí)采煤機(jī)斜切時(shí)俯采和仰采

在工作面傾角不為零時(shí)，采煤機(jī)斜切工況俯采和仰采。在不同開(kāi)采方式下，考慮和不考慮工作面傾角條件下，采煤機(jī)斜切進(jìn)刀受力情況是有所不同的，導(dǎo)致其空間力學(xué)模型有所區(qū)別。盡管各自空間力學(xué)模型有區(qū)別，但是研究發(fā)現(xiàn)采煤機(jī)受力情況可以用相同的數(shù)學(xué)模型來(lái)描述。因此，本文以統(tǒng)一的形式給出了工作面傾角不為零且存在俯（仰）采條件下的采煤機(jī)斜切工況空間力學(xué)模型（圖4）。

圖4 工作面角度不為零時(shí)采煤機(jī)斜切時(shí)俯采和仰采

不同的開(kāi)采角度對(duì)于導(dǎo)向滑靴的受力面有著不同的影響，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)不同位置的磨損造成影響，尤其是雙側(cè)結(jié)構(gòu)的磨損情況肯定會(huì)不一致的。同時(shí)，當(dāng)工作面的角度為零時(shí)，采煤機(jī)的俯采和仰采也會(huì)對(duì)導(dǎo)向滑靴的受力面發(fā)生變化，根據(jù)不同的俯仰傾角，導(dǎo)向滑靴的載荷方向也會(huì)隨之發(fā)生改變，對(duì)結(jié)構(gòu)的磨損程度也會(huì)出現(xiàn)差異。制造廠商應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同的開(kāi)采角度對(duì)導(dǎo)向滑靴的結(jié)構(gòu)做出一定的設(shè)計(jì)優(yōu)化，以適應(yīng)更多的惡劣工況條件。

煤礦企業(yè)也應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)地質(zhì)勘探工作，充分掌握煤礦的開(kāi)采走向，提前選用合適的導(dǎo)向滑靴的類(lèi)型，與制造廠商提前開(kāi)展針對(duì)性的工作，延長(zhǎng)導(dǎo)向滑靴的使用壽命。

3.2 開(kāi)采振動(dòng)的影響

考慮到模態(tài)分析對(duì)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性，對(duì)導(dǎo)向滑靴的銷(xiāo)排的前4 階固有頻率進(jìn)行模態(tài)分析，利用有限元數(shù)值分析的方法，就可以得到圖5 所示的模態(tài)振型。

由圖5 可知，銷(xiāo)排第一階振型為繞z 軸（銷(xiāo)排長(zhǎng)度方向）的彎曲變形，最大位移發(fā)生在長(zhǎng)度方向最前端和最后端，為10.931 mm；第二階振型同樣也為繞z 軸彎曲變形，最大位移也發(fā)生在長(zhǎng)度方向的最前端和最后端，為11.429 mm。4 個(gè)模態(tài)情況下的變形均不相同，這也是造成導(dǎo)向滑靴失效的原因。

圖5 導(dǎo)向滑靴銷(xiāo)排模態(tài)分析

由此可見(jiàn)，每一種模態(tài)所呈現(xiàn)出來(lái)的振動(dòng)方向和大小都是不同的。對(duì)于導(dǎo)向滑靴來(lái)說(shuō)，除了自身的制造工藝、安裝工藝等因素以外，外部激振載荷對(duì)于導(dǎo)向滑靴失效也有著關(guān)鍵的決定性作用，尤其是在共振頻率下，導(dǎo)向滑靴的結(jié)構(gòu)更加容易發(fā)生破壞。因此，在設(shè)計(jì)導(dǎo)向滑靴安裝位置時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取一定的隔振措施，或者在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就考慮到振動(dòng)因素的破壞性、避開(kāi)工作振動(dòng)頻率。

此外，導(dǎo)向滑靴的振動(dòng)對(duì)于焊接工藝造成了極大考驗(yàn)，如果焊縫發(fā)生開(kāi)裂，整體結(jié)構(gòu)就容易被破壞，減少導(dǎo)向滑靴的使用壽命。

4 導(dǎo)向滑靴優(yōu)化改進(jìn)措施

4.1 增設(shè)耐磨層

導(dǎo)向滑靴導(dǎo)向槽的材料耐磨性能，一方面保證滑靴自身強(qiáng)度，另一方面確?；フ３叽?，滑靴磨損尺寸發(fā)生變化后會(huì)發(fā)生受力不均，發(fā)生局部應(yīng)力集中。為了增加滑靴各平面的表面耐磨性能，可通過(guò)熔敷和鑲焊方式在表面增加耐磨層或耐磨條[6]。

4.2 增大坡口面尺寸

當(dāng)導(dǎo)向滑靴潤(rùn)滑程度不足時(shí)，其與齒軌之間的摩擦就會(huì)加劇，不斷減小坡口面角度就會(huì)發(fā)生齒軌之間的接觸碰撞情況。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增加1.5 倍的安全系數(shù)，以延長(zhǎng)導(dǎo)向滑靴在兩端坡口面的使用壽命。

4.3 控制導(dǎo)向槽平面尺寸

為保證導(dǎo)向槽與其他零部件的嚙合符合精度要求，必須將導(dǎo)向槽的平面尺寸控制在合理的范圍之內(nèi)。一旦平面尺寸的長(zhǎng)度過(guò)大，則容易造成齒輪卡塞、出現(xiàn)齒軌滑脫。

4.4 保持凹面尺寸在合理的設(shè)計(jì)區(qū)間

導(dǎo)向槽與齒軌之間容易發(fā)生直接接觸，從而產(chǎn)生卡頓的現(xiàn)象?？刂坪冒济娉叽绲幕《葘?duì)整體強(qiáng)度和零件之間的讓隙作用有著重要影響，整體強(qiáng)度和弧度呈反比，讓隙作用的效果會(huì)隨著弧度變小而下降，導(dǎo)致導(dǎo)向滑靴在運(yùn)行過(guò)程中的頓挫現(xiàn)象。由于惡劣的煤礦工作環(huán)境，雜質(zhì)和粉塵在導(dǎo)向滑靴上的附著，對(duì)凹凸表面的機(jī)械配合性能造成影響，使得整體結(jié)構(gòu)在水平、垂直方向呈現(xiàn)出不對(duì)稱(chēng)性。

5 結(jié)語(yǔ)

采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴是確保煤炭開(kāi)采生產(chǎn)效率的關(guān)鍵機(jī)械部件，在礦井惡劣的環(huán)境中經(jīng)常出現(xiàn)故障失效的情況，影響煤炭開(kāi)采的安全穩(wěn)定性。在此背景下，對(duì)導(dǎo)向滑靴常見(jiàn)的失效形式進(jìn)行分析，并提出4 種優(yōu)化改進(jìn)措施方案，以提高導(dǎo)向滑靴在工作過(guò)程中的穩(wěn)定性和使用壽命。