采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的截齒失效原因及改進(jìn)措施探討

鄧 凱

（山西焦煤西山機(jī)電廠， 山西 太原 030000）

0 引言

截齒質(zhì)量對(duì)采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)工作效率具有重要影響，直接影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。為避免在生產(chǎn)工作時(shí)出現(xiàn)截齒失效問題，需要通過多種方式提升截齒強(qiáng)度和耐用性，從而更好開展工作。

1 采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)截齒失效原因

1.1 磨損與斷裂

在采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行工作的時(shí)候，造成截齒失效的主要原因就是磨損，在采煤機(jī)或掘進(jìn)機(jī)對(duì)煤層或土層進(jìn)行切割開采的時(shí)候，機(jī)器上的截齒會(huì)與礦石不斷摩擦，截齒在這個(gè)階段中承受了巨大的周期性應(yīng)力，截齒上承載的負(fù)荷也非常巨大，從而導(dǎo)致采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的截齒發(fā)生磨損甚至斷裂的情況。通常因?yàn)椴删驒C(jī)和掘進(jìn)機(jī)的工作原理和截齒的受力規(guī)律，導(dǎo)致截齒的頭部磨損較為嚴(yán)重，但有的時(shí)候因?yàn)槟p較重，會(huì)導(dǎo)致截齒的褲體部分出現(xiàn)磨損，褲體磨損就會(huì)導(dǎo)致截齒直接斷裂失效。

有的時(shí)候即便磨損不是很嚴(yán)重，仍然出現(xiàn)斷裂導(dǎo)致截齒失效的情況，這主要是因?yàn)樵趯?duì)礦石截割的過程中，在遇到質(zhì)地過于堅(jiān)硬的石料礦石等物體時(shí)，短時(shí)間的接觸就會(huì)給截齒施加一個(gè)非常大的沖擊力，會(huì)導(dǎo)致截齒受到高壓應(yīng)力的作用，這直接超過了截齒合金強(qiáng)度極限，從而導(dǎo)致斷裂失效。另外，有些使用時(shí)間過長(zhǎng)的截齒會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間受力導(dǎo)致其表面或內(nèi)部出現(xiàn)裂紋，這些裂紋在新的力的作用下會(huì)不斷擴(kuò)大直至斷裂，從而出現(xiàn)截齒斷裂失效的情況[1]。

另外，截齒在對(duì)煤礦巖石進(jìn)行截割時(shí)，因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的快速摩擦，會(huì)導(dǎo)致截齒表面的溫度出現(xiàn)大幅度的升高，溫度甚至?xí)_(dá)到600～800 ℃，再加上截齒是固定在滾筒上不斷進(jìn)行回轉(zhuǎn)的，就會(huì)導(dǎo)致已經(jīng)升到較高溫度的截齒又不斷降溫，溫度不斷交替就會(huì)在截齒的刀頭上出現(xiàn)回火現(xiàn)象，高溫回火會(huì)直接導(dǎo)致刀頭的硬度降低，有研究表明其硬度下降能達(dá)到50%以上，硬度的大幅度降低就會(huì)加重刀頭的磨損，溫度的升高還會(huì)導(dǎo)致截齒表面的材料出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，隨著截齒不斷受力，就會(huì)導(dǎo)致截齒在高溫下逐漸發(fā)生塑像形變，在冷卻后就會(huì)出現(xiàn)裂縫，隨著截齒不斷使用，裂縫就會(huì)沿著裂縫的方向不斷加深，直到有裂縫的截齒無法再次承受高壓應(yīng)力，直接發(fā)生斷裂或表面材料大量脫卸，從而導(dǎo)致截齒失效的問題發(fā)生。

1.2 齒頭質(zhì)量不足

采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)的截齒通常使用硬質(zhì)合金齒頭，但硬質(zhì)合金齒頭并非堅(jiān)不可摧，在開展煤礦石截割工作時(shí)，由于礦石中會(huì)含有很多雜質(zhì)，這些雜質(zhì)多為質(zhì)地堅(jiān)硬的其他石頭或礦物，在截齒與堅(jiān)硬物體接觸時(shí)就受到一個(gè)高壓應(yīng)力作用。由于高壓應(yīng)力會(huì)覆蓋刀頭和截齒刃，一旦出現(xiàn)截齒與礦物接觸不嚴(yán)密情況，就會(huì)導(dǎo)致截齒刃離開高壓應(yīng)力狀態(tài)，但此時(shí)刀頭仍處于高壓應(yīng)力狀態(tài)，刀頭和截齒刃之間就會(huì)產(chǎn)生非常高的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力會(huì)轉(zhuǎn)化為對(duì)二者之間的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力在超過硬質(zhì)合金齒頭的合金強(qiáng)度極限后，會(huì)造成刀頭斷裂，最終導(dǎo)致截齒失效。

另外，因?yàn)樵谏a(chǎn)過程中，截齒發(fā)生磨損的情況非常常見，一般情況下磨損都能應(yīng)付，但有的時(shí)候磨損會(huì)導(dǎo)致截齒尖的硬質(zhì)合金脫落。截齒尖的硬質(zhì)合金脫落問題通常出現(xiàn)在截齒安裝后的早期和后期，早期出現(xiàn)脫落會(huì)導(dǎo)致這個(gè)硬質(zhì)合金刀頭只經(jīng)歷很短的工作時(shí)間就報(bào)廢，直接導(dǎo)致截齒失效的情況，只能更換。后期出現(xiàn)脫落問題相對(duì)來說危害小一些，主要是后期本身臨近刀頭更換的時(shí)間，工作人員已經(jīng)有所準(zhǔn)備，不會(huì)對(duì)工程進(jìn)度產(chǎn)生較大的影響。

影響齒頭質(zhì)量的因素還有很多，例如焊接工藝，根據(jù)調(diào)查，在實(shí)際工作中，齒頭的釬焊質(zhì)量對(duì)硬質(zhì)合金脫落導(dǎo)致截齒失效問題發(fā)生的概率有著直接影響。據(jù)分析，通常齒頭最脆弱的地方就是焊接部位，這個(gè)位置在進(jìn)行焊接的時(shí)候就需要嚴(yán)格確保質(zhì)量，不能在接縫處存在夾砂或裂紋，如果存在夾砂或裂紋的情況，就會(huì)導(dǎo)致焊接部位無法承受巨大的剪應(yīng)力導(dǎo)致斷裂或齒頭脫落的情況。此外，截齒褲體的材料選擇方面也非常值得注意，前文提到截齒褲體發(fā)生斷裂的問題，這就需要截齒褲體的材料選擇上滿足硬度和耐磨度兩方面的要求。如果硬度和耐磨度不達(dá)標(biāo)，就會(huì)在生產(chǎn)中導(dǎo)致保持力不夠，會(huì)導(dǎo)致硬質(zhì)合金脫落，自身斷裂等情況，直接使截齒失效[2]。

2 采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)截齒失效問題改進(jìn)措施

2.1 選擇更堅(jiān)固的材料

根據(jù)上文對(duì)于采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)截齒失效問題的原因分析，不難看出，截齒失效問題的主要原因就是截齒的材料在一些情況下無法承受住過大的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致斷裂，此外還有截齒的材料在耐磨度上還不足以滿足工作需求，導(dǎo)致在一段時(shí)間使用后出現(xiàn)磨損，也會(huì)進(jìn)一步加大發(fā)生斷裂問題的概率。

所以核心問題就在于截齒材料的選擇上，截齒的材料選擇必須要滿足足夠的強(qiáng)度和耐磨度，確保不會(huì)出現(xiàn)磨損或斷裂的情況，但施工單位的經(jīng)費(fèi)也不是無限的，所以就需要根據(jù)開采挖掘工作的實(shí)際情況選擇合適的刀頭，實(shí)現(xiàn)滿足需求的同時(shí)降低成本的目的。所以在開展工作前，需要對(duì)采礦地點(diǎn)的礦物或挖掘現(xiàn)場(chǎng)的土質(zhì)進(jìn)行分析，分析其中的礦石硬度，如果礦石硬度較小，可以選擇硬度小一些的合金刀頭型號(hào)，通常YG11 和YG13 兩種合金刀頭就可以滿足較小硬度的礦石開采需求。在礦石硬度較大的時(shí)候，就需要采用硬度較高的合金刀頭，通常這類硬度高的刀頭在制造時(shí)為了確保有效性，會(huì)在其中添加Co 等元素，有效增加其硬度。所以在對(duì)硬度較高的礦石進(jìn)行開采工作的時(shí)候，可以選用YG25 刀頭，這種刀頭在硬度滿足需要的同時(shí)還具備較高的耐磨性，可以很好地滿足生產(chǎn)需要。

除開硬質(zhì)合金刀頭外，有些時(shí)候優(yōu)質(zhì)合金鋼材料制成的刀頭也是很好的選擇，工作人員可以根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)刀頭進(jìn)行選擇，優(yōu)質(zhì)合金鋼材質(zhì)是一種復(fù)合硬質(zhì)合金材料，優(yōu)質(zhì)合金鋼目前也被大規(guī)模用于截齒齒體的制造上，具備良好的硬度和抗沖擊能力，另外優(yōu)質(zhì)合金鋼的疲勞極限也很高，能夠有效提升刀頭的使用壽命。但優(yōu)質(zhì)合金鋼材料存在一個(gè)缺陷，就是其回火脆性較高，在溫度升高下降的過程中就會(huì)出現(xiàn)變脆的問題，所以經(jīng)常出現(xiàn)高溫的采掘工作中，優(yōu)質(zhì)合金鋼刀頭就不是一個(gè)很好的選擇，在這種情況下刀頭會(huì)更容易出現(xiàn)斷裂的情況。

目前我國(guó)主要使用的優(yōu)質(zhì)合金鋼刀頭有35CrMnSi、42CrMo 等型號(hào)，其中35CrMnSi 的適用范圍會(huì)更加廣泛，42CrMo 刀頭綜合性能更加優(yōu)秀，這就需要工作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行考察分析，最終確定具體采用什么型號(hào)的刀頭。此外由于在采掘工作中地質(zhì)情況可能隨時(shí)發(fā)生變化，就需要工作人員隨著工程開展對(duì)截齒刀頭的狀態(tài)和前方的地質(zhì)情況進(jìn)行評(píng)估，隨時(shí)更換最合適的刀頭，從而大幅度降低發(fā)生截齒失效的概率，確保工程能夠順利開展[3]。

2.2 改進(jìn)工藝

要想對(duì)采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)截齒失效問題進(jìn)行改進(jìn)，除開對(duì)截齒的刀頭材料做出合理選擇，還需要從截齒的各項(xiàng)工藝入手，不斷改進(jìn)工藝，使得截齒的質(zhì)量更高，從而滿足工程需求。

截齒是由刀頭和齒體連接在一起組成的，所以連接的地方也是截齒的弱點(diǎn)，很容易從連接處發(fā)生斷裂導(dǎo)致截齒失效，所以在對(duì)采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)截齒失效問題進(jìn)行改進(jìn)的首要工作就是改進(jìn)截齒刀頭和齒體連接工藝，在以往的生產(chǎn)中，人們主要采用釬焊的方式對(duì)齒體和刀頭進(jìn)行連接，雖然釬焊的方式已經(jīng)具備一定強(qiáng)度，但還不能確保截齒具備足夠的硬度，另外，釬焊技術(shù)不足，操作工藝過于單一都會(huì)導(dǎo)致釬焊連接的截齒存在強(qiáng)度上的不足，無法確保截齒成品的強(qiáng)度。因?yàn)檫@些原因，在改進(jìn)截齒的連接工藝時(shí)就可以加上熱處理的方式對(duì)釬焊后的截齒加強(qiáng)強(qiáng)度，熱處理工藝能夠有效提升截齒釬焊的強(qiáng)度，有效降低截齒在實(shí)際工作中出現(xiàn)斷裂的概率。熱處理工作有兩種主要處理方式，要對(duì)材料進(jìn)行充分考察后選擇使用，如果材料淬透性較好，就可以采用第一種熱處理方式，通過在硬質(zhì)合金釬焊的時(shí)候，趁材料尚未冷卻進(jìn)行淬火，能夠有效提升其強(qiáng)度。如果材料的淬透性較低，就可以采取第二種方式，對(duì)釬焊完成后的硬質(zhì)合金二次加熱，再進(jìn)行淬火，但需要注意不能加熱到過高溫度，會(huì)導(dǎo)致釬焊質(zhì)量下降。

另外，在截齒的保護(hù)工藝層面還需要改進(jìn)，現(xiàn)在的截齒多是直接使用硬質(zhì)合金材料，缺乏對(duì)于材料本身的保護(hù)，在長(zhǎng)時(shí)間工作后極易出現(xiàn)磨損，從而導(dǎo)致截齒失效。所以可以通過多種方式在工藝上加強(qiáng)對(duì)于截齒的保護(hù)。首先可以采用激光熔覆的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)可以通過在截齒表面加覆一層耐磨合金，有效提升其硬度和耐磨度。其次是等離子束加工技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是基于堆焊、熔覆等技術(shù)發(fā)展而來的新技術(shù)，等離子束加工技能能夠?qū)⑷我馀浔鹊耐苛细街诓牧媳砻?，在截齒上形成一層高強(qiáng)度的合金層，能夠有效減輕截齒的氧化腐蝕問題，提升截齒表面的硬度和耐磨程度，能夠有效延長(zhǎng)截齒的使用壽命。還可以使用堆焊技術(shù)對(duì)于截齒進(jìn)行加工，堆焊技術(shù)對(duì)于截齒的耐磨性有顯著提高，還能有效降低截齒在工作中刀頭脫落或崩碎等情況的發(fā)生概率，這些工藝都能有效改善采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)截齒失效的問題。

通過對(duì)實(shí)踐工作的分析，通過技術(shù)保護(hù)后的截齒相較于未做過保護(hù)措施的截齒其使用壽命能夠提升20%甚至更多，截齒能承受的齒間最大應(yīng)力提升15%，截齒刀柄能承受的最大應(yīng)力提升36%，截齒的平均損耗率明顯降低，效果十分顯著[4]。

2.3 加強(qiáng)摩擦學(xué)應(yīng)用

前文提到，造成采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)截齒失效的另一個(gè)問題就是截齒的磨損問題，在采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，截齒刀頭與礦物接觸產(chǎn)生大量摩擦，不可避免地會(huì)產(chǎn)生刀頭磨損問題，在一定程度上刀頭磨損程度會(huì)影響截齒失效問題的發(fā)生概率。所以，如何減輕刀頭的磨損也是非常值得探究的一個(gè)問題。

摩擦學(xué)是一項(xiàng)主要對(duì)物體的磨損以及摩擦情況開展研究的學(xué)科門類，從摩擦學(xué)的角度出發(fā)，如何降低截齒的摩擦程度，增強(qiáng)截齒刀頭的耐磨度，從而延長(zhǎng)截齒刀頭的使用壽命，都是工作人員值得學(xué)習(xí)研究的。在實(shí)際工作中，工作人員需要結(jié)合摩擦學(xué)知識(shí)，結(jié)合實(shí)際情況對(duì)采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，從而達(dá)成減輕截齒磨損的目標(biāo)。

2.4 改善截齒安裝角度

截齒的安裝角度對(duì)于采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的截割能力有著很大程度的影響，所以截齒的安裝角度也是在改進(jìn)采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)截齒失效問題的有效措施。截齒在滾筒上的安裝角度主要有沖擊角、傾斜角和歪斜角，其中沖擊角是對(duì)于采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)截割能力影響最大的，所以對(duì)于沖擊角的安裝角度改善是非常值得開展的。根據(jù)研究顯示，國(guó)內(nèi)沖擊角的角度通常設(shè)置在40℃～50℃這個(gè)范圍，表面截齒沖擊角的角度增大，其截割時(shí)承受的阻力會(huì)顯著降低，歪斜角和傾斜角增大，會(huì)大幅度增加截割時(shí)承受的阻力，導(dǎo)致磨損嚴(yán)重。

所以，在安裝截齒的時(shí)候，要對(duì)開采或掘進(jìn)環(huán)境進(jìn)行充分考察和分析，在開采堅(jiān)硬礦石的時(shí)候，就需要增大沖擊角增強(qiáng)截割能力，同時(shí)適當(dāng)降低截齒安裝的歪斜角和傾斜角，減少磨損。相反，在質(zhì)地相對(duì)較軟的開采中，就需要適當(dāng)增大傾斜角和歪斜角，增大摩擦，提升開采的工作效率。

3 結(jié)語

要想有效解決采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)截齒失效問題，需要對(duì)截齒失效的發(fā)生原因進(jìn)行深入研究，同時(shí)充分掌握截齒材料的優(yōu)化和制作安裝工藝，進(jìn)而延長(zhǎng)截齒使用壽命，降低截齒失效造成的經(jīng)濟(jì)損失。