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

吳玉杰

（內(nèi)蒙古雙欣礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)作為采煤行業(yè)常用的設(shè)備，其性能決定了煤炭的開采效率。截齒刀頭出現(xiàn)的裂縫、折斷、脫落、磨損等是成為影響截齒壽命的主要影響因素。改進(jìn)采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的截齒失效問題，將增強(qiáng)截齒刀頭的強(qiáng)度和耐磨性、耐腐蝕性，從而改善截齒的性能。

1 截齒的失效形式與失效原因分析

1.1 截齒的失效形式

從表1 結(jié)果上看，磨損作為主要的失效形式，截齒出現(xiàn)片磨損的現(xiàn)象比較嚴(yán)重。（1）采煤機(jī)在截割煤巖時會產(chǎn)生一定的磨損，尤其是齒體的頭部位置出現(xiàn)磨損會產(chǎn)生一定的壓力，進(jìn)而降低刀頭的支撐性能，使得合金刀頭出現(xiàn)脫落的問題。（2）偏磨損得不到控制還會降低截齒的截割性能，當(dāng)截齒出現(xiàn)受力不均的情況時，刀頭易出現(xiàn)破碎或者開裂的現(xiàn)象。（3）截齒失效形式中占據(jù)比較大的一項為刀頭的脫落，其與釬焊過程中人為失誤導(dǎo)致釬焊不牢所造成脫落有關(guān)。另外，熱疲勞還會使刀頭出現(xiàn)龜裂，久而久之，也會使得刀頭出現(xiàn)脫落。以失效的鎬型截齒為例，本文主要選取六個鎬型截齒，分別為（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）。截齒（a）刀頭基本丟失，受損的情況是為嚴(yán)重，刀頭上明顯出現(xiàn)了一個大凹坑，只有少量的硬質(zhì)合金。截齒（b）表現(xiàn)出現(xiàn)的大坑和斑點也較為明顯。截齒（c）中截齒刀頭出現(xiàn)了開裂的現(xiàn)象，并且磨損也比較嚴(yán)重，這屬于崩刀失效形式。截齒（d）的磨損比較輕，只出現(xiàn)了局部的磨損。截齒（e）的磨損比較嚴(yán)重，一半的硬質(zhì)合金刀頭已經(jīng)少了一半。截齒（F）出現(xiàn)的磨損最嚴(yán)重，其截齒不能被使用。從截齒截割煤巖的情況了解，其在截割過程中受到粉塵、銹蝕等方面的影響，截齒不能很好地自旋轉(zhuǎn)，截齒的自磨刃功能下降，進(jìn)而導(dǎo)致（b-f）出現(xiàn)嚴(yán)重的偏磨損，刀頭也會受到磨損的影響，降低自身的變頓截割效率，使得刀頭出現(xiàn)了脫落問題。

表1 截齒的失效形式

1.2 失效原因

1.2.1 磨損

采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)的磨損主要是截割煤巖時，截齒和煤巖發(fā)生了一定的接觸，在相互摩擦過程中，受到硬質(zhì)巖石、硬度較高的煤氣矸石等影響，加大了截齒的摩擦作用。不斷的磨損下載齒的齒尖不再像往常一樣鋒利，截割阻力增大的情況下，截齒與煤巖的接觸面積擴(kuò)大之前的2 ～3 倍，甚至更大，這種情況下，粉煤塵就會在采煤過程中不斷地增加，導(dǎo)致塊煤率下降，影響最終的采煤產(chǎn)量。

與此同時，磨損還有一個重要的因素就是熱應(yīng)力的產(chǎn)生。由于WC 和Co 的膨脹系數(shù)存在差異性，熱膨脹變形的尺寸也不盡相同，使得WC 和Co 之間會產(chǎn)生熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的強(qiáng)度高于兩相的連接強(qiáng)度時，截齒表面就會發(fā)生裂縫。并且兩相的連接強(qiáng)度在不斷下降時，硬質(zhì)合金本身的強(qiáng)度、耐磨性也會隨之降低。截齒磨損加快的重要影響因素還與表面溫度梯度過大有關(guān)，例如，硬質(zhì)合金處于高溫的狀態(tài)下，其塑性相對較高，黏結(jié)相在出現(xiàn)不同程度的變形后會向表面的疲勞裂紋中延伸，WC 的晶粒也會隨之?dāng)D向到截齒表面，跟隨著煤巖一同刮走，在產(chǎn)生較大的溫度梯度時，塑性流動加快，進(jìn)而產(chǎn)生磨損。

截齒（b）的表面出現(xiàn)比較大凹坑，通過顯微組織觀看到這一表面出現(xiàn)的凹坑，能夠觀察到硬質(zhì)合金組織已經(jīng)出現(xiàn)了變形的情況。圓內(nèi)有AB 兩個點，這些均是夾雜在硬質(zhì)合金中雜質(zhì)，其主要球形顆粒和枝蔓狀組織，當(dāng)這些不規(guī)則的顆粒夾雜在硬質(zhì)合金中，尤其是受損比較嚴(yán)重的區(qū)域，將會加快整個磨損的過程。

1.2.2 刀頭產(chǎn)生裂縫和斷裂

硬質(zhì)合金的刀頭出現(xiàn)不同程度的裂紋、崩刃，與受到外力影響有關(guān)。其中影響最大的是沖擊載荷，這一沖擊產(chǎn)生的強(qiáng)度比較大。而內(nèi)部所產(chǎn)生的集中應(yīng)力也會引起刀頭出現(xiàn)斷裂，例如，夾雜物、微孔隙等導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀頭表面出現(xiàn)微觀的缺陷。沖擊載荷帶來的影響則最先通過這些缺陷而產(chǎn)生崩刃或者裂紋。

另外，刀頭出現(xiàn)斷裂還與煤層與齒頭接觸過程中所產(chǎn)生的大量熱量有關(guān)，而熱量產(chǎn)生則是因為持續(xù)性的摩擦引起。熱量在轉(zhuǎn)移時無法做到每處的溫度都保持一致，因此，WC 和Co 之間產(chǎn)生的變形尺寸也會不同，進(jìn)而帶來熱應(yīng)力。例如，兩相之間的連接強(qiáng)度相對熱應(yīng)力產(chǎn)生的強(qiáng)度較低，其產(chǎn)生裂縫的可能性將會加大，在面臨較大的沖擊載荷時，這一區(qū)域發(fā)生裂縫也會隨之?dāng)U大，進(jìn)而刀頭產(chǎn)生斷裂的情況。

另外，對于（a）和（b）中顯示出的彎曲裂紋，從硬質(zhì)合金刀頭的顯微組織特征上看，其主要是硬質(zhì)合金中所存在很多尺寸比較大的WC 顆粒，在運(yùn)用放大電鏡觀察，能夠清楚地了解到裂紋的形貌，即裂紋比較長且出現(xiàn)了彎曲的情況。這只要與WC 顆粒在增大的情況下黏結(jié)劑也在不斷擴(kuò)展，進(jìn)而出現(xiàn)彎曲；對于晶粒度大的WC 顆粒，能夠使裂紋出現(xiàn)轉(zhuǎn)折、分叉的情況。

1.2.3 刀頭脫落和丟失

刀頭脫落也會引起截齒失效。從截齒（a）中我們可以看到，其受損的情況比較嚴(yán)重，刀頭全部脫落。從截齒的使用效率和使用壽命上看，齒體與刀頭的強(qiáng)度關(guān)乎截齒的正常使用，硬質(zhì)合金刀頭出現(xiàn)掉落，其最主要的影響因素與焊縫質(zhì)量、加工尺寸有關(guān)，例如，焊縫如果出現(xiàn)間隙比較大的情況，焊料的流動性也會加大，進(jìn)而造成缺焊的問題。另外，釬焊的效果也會對刀頭產(chǎn)生不良的影響，例如，釬焊選擇的材料不合格、工藝不當(dāng)?shù)取Ｔ谶x擇釬焊時，如果選擇不合格的釬焊，刀頭很容易出現(xiàn)過早的脫落，使截齒壽命縮短，影響煤炭的正常開采。

1.2.4 齒體彎曲變形和折斷

齒體出現(xiàn)變形的情況或者折斷的情況也會引起截齒失效。其中齒體與齒柄的連接部位容易出現(xiàn)折斷、彎曲變形。（1）由于兩相交接處本身的集中應(yīng)力較大，使用的材料不合格，齒體在進(jìn)行熱處理過程中使用了不當(dāng)?shù)墓に囋斐善鋸?qiáng)度、抗沖擊性降低等，這些均會造成齒體與齒柄部位的折斷和變形。采煤機(jī)或者掘進(jìn)機(jī)的截齒在截割煤巖時，面對硬度較高的煤矸石，其產(chǎn)生的沖擊力也相對較大，沖擊荷載在反復(fù)的作用下就會出現(xiàn)折斷、變形的情況。（2）截齒在安裝階段出現(xiàn)了安裝不牢固的情況，從而使得其在離心力的作用下出現(xiàn)脫出的情況。如果全部脫出，截齒就會出現(xiàn)丟失，沒有全部脫出，則截齒就會出現(xiàn)彎曲、變形、折斷的問題。

2 采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)截齒失效的改進(jìn)措施

2.1 選用合適的截齒刀具，提高截齒強(qiáng)度和韌性

面對不同的煤層類型，選擇硬度適合、韌性適合的截齒刀具十分重要，可以有效避免截齒出現(xiàn)過早磨損、刀頭崩刃和折斷的問題。以下針對截齒的選用類型進(jìn)行了分析。

（1）對于硬度較低的煤層，即f 小于3.0，可以通過增加硬質(zhì)合金刀頭中的（Co/Ni）含量，即保持8%～13%，從而使刀頭具有較高的韌性，避免出現(xiàn)斷裂的情況。同時，加入少量的TiC/TaC 也會顯著提高硬質(zhì)合金刀頭的強(qiáng)度和硬度。截割阻力的減少可通過減少刀頭直徑或者錐角，選用禮帽型刀頭或者蘑菇頭型刀頭，增加對截齒的有效保護(hù)，通過增強(qiáng)齒體的硬度，即硬度在50HRC以上，這能有效避免齒體由于出現(xiàn)過早磨損，造成截齒失效。

（2）對于硬度較高的煤層，即f 大于3.0，可以通過添加TiC/TaC，使其強(qiáng)度、硬度、耐磨性顯著提高。同時還可以通過降低硬質(zhì)合金刀頭的鈷含量，即將其鈷含量降到8%以下。選擇使用大于4.0μm 的粗晶硬質(zhì)合金，以使刀頭具備一定的韌性，防止出現(xiàn)斷裂。齒體韌性提高還可以通過選擇使用多錐度的刀頭或者在刀頭的外部增加保護(hù)環(huán)，從而將齒體的韌性提高到80 ～100J/cm2，這種情況下，齒體的壽命將不斷延長，避免出現(xiàn)截齒失效的情況。

2.2 強(qiáng)化表面技術(shù)，增強(qiáng)截齒的耐磨性

磨損會導(dǎo)致截齒出現(xiàn)失效，在選擇使用適合的刀具或者材料之外，還可通過使用相關(guān)技術(shù)來達(dá)到提升截齒耐磨的目的。（1）利用堆焊、熱噴涂、激光熔覆等手段，使表面得到強(qiáng)化，增強(qiáng)其耐磨性。例如，熱噴涂主要是在截齒的表面上涂上一層硬度較高的耐磨合金，刀頭不僅得到了保護(hù)，還會避免其出現(xiàn)脫落、斷裂的情況。 例如，激光熔覆主要是將一些高合金材料涂在截齒的表面上，目的是增強(qiáng)截齒表面的耐磨性和耐磨硬度，從而延長截齒的壽命，提升截齒的使用效率。（2）堆焊技術(shù)。耐磨材料在融入截齒的表面后，截齒的強(qiáng)度得到了提高，避免截齒下使用過程中出現(xiàn)刀頭的脫落和刀頭崩刃。（3）等離子束表面冶金作為一種涂層技術(shù)，其相對堆焊技術(shù)、熔覆技術(shù)、噴涂技術(shù)而言，它能夠?qū)⑷我馀鋫涞姆勰┲苯油吭诓牧仙?，然后等待其成型后，就會形成一層合金層保護(hù)截齒表面出現(xiàn)腐蝕的情況，避免刀頭出現(xiàn)脫落或者斷裂。這一技術(shù)在采煤機(jī)截齒中得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是這一技術(shù)相對傳統(tǒng)的技術(shù)而言，等離子束技術(shù)進(jìn)行表面冶金，能夠使截齒的壽命延長，還能抵抗一定的荷載沖擊，從而避免截齒出現(xiàn)失效。（4）滲硼熱處理技術(shù)也能夠增強(qiáng)截齒的耐磨性，使得截齒壽命延長。

2.3 優(yōu)化截齒安裝工藝，提高截齒性能

截齒安裝不當(dāng)會導(dǎo)致刀頭出現(xiàn)脫落或者的磨損加重的情況。針對這一問題，在進(jìn)行齒體的安裝時，應(yīng)該對安裝的角度進(jìn)行觀察，例如，當(dāng)安裝時出現(xiàn)歪斜角或者傾斜角過大的情況，截割阻力也會隨著其安裝角度的不同出現(xiàn)變化，造成磨損加重的問題。經(jīng)過研究調(diào)查當(dāng)表面截齒的沖擊角（40°～50°）出現(xiàn)增大的情況，其截割阻力會呈現(xiàn)降低的情況，傾斜角、歪斜角增加，阻力增大，磨損的程度也會加大，進(jìn)而沖擊荷載加大，造成刀頭脫落。因此，安裝過程中，安裝人員需要提升自身的專業(yè)素養(yǎng)，了解安裝工藝，加大安裝監(jiān)督和后期的維修、保護(hù)，這樣才能避免截齒出現(xiàn)不同程度的磨損和刀頭丟失、刀頭掉落的問題。

2.4 深化摩擦學(xué)的研究，改進(jìn)截齒工作方式

摩擦學(xué)的研究內(nèi)容為物體之間的磨損、物體之間的摩擦情況。其涉及的內(nèi)容涉及多門學(xué)科，即熱學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)等。截齒失效主要與截齒與煤層之間的摩擦有關(guān)，針對這一問題，工作人員需要提升自身的專業(yè)知識，了解煤層開采過程中，不同煤層開采會帶來的截齒磨損情況，靈活地對采煤機(jī)截齒參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。并運(yùn)用掌握的機(jī)械學(xué)知識、摩擦學(xué)知識，對齒體保護(hù)、降低摩擦阻力等提出改進(jìn)對策，從而運(yùn)用到實際的工作中，增強(qiáng)截齒的耐磨性，保障截齒能夠得到長久的使用。例如，工作人員應(yīng)該避免截齒與截割下來的煤礦石產(chǎn)生接觸，這樣能夠避免齒體因為自由活動受到空間上的限制，而出現(xiàn)與煤礦石摩擦的情況，造成刀頭的脫落。例如，及時加強(qiáng)對截齒的保護(hù)，更換已經(jīng)壞掉的刀頭。即對于已經(jīng)被磨去1.5mm 的刀頭就需要更換，這樣能確保截齒與煤礦石之間的接觸面縮小到1cm3以下，從而減少兩相的摩擦，避免采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)不會因為額外的負(fù)擔(dān)而產(chǎn)生較大的荷載。

3 結(jié)語

采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的截齒出現(xiàn)失效，將會影響采煤的質(zhì)量和采煤的效率，給煤礦企業(yè)帶來一定的損失和風(fēng)險。本文針對采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)截齒失效的形式和原因進(jìn)行分析后，從選用適合的截齒刀具，提高截齒的強(qiáng)度和耐磨性、使用多種新技術(shù)，避免產(chǎn)生磨損、加強(qiáng)摩擦學(xué)知識的學(xué)習(xí)，改進(jìn)工作方式、優(yōu)化截齒安裝工藝，提高截齒性能等提出改進(jìn)的對策，旨在為提高煤礦的開采效率提供保障。工作人員在使用截齒時，還需在后期加大維修的力度，定期更換截齒刀具，提升工作的能力，從而為煤礦生產(chǎn)作業(yè)提供更多助力，給煤礦企業(yè)帶來更可觀的經(jīng)濟(jì)效益。