基于FTA的采煤機截齒失效形式與對策分析

程 博

（同煤國電 同忻煤礦，山西 大同 037001）

截齒是在采煤過程中，采煤機截割煤壁時與煤巖直接接觸的最終端。截齒主要分為鎬形截齒和板形截齒兩類。不僅滾筒上布置的截齒多，而且截齒在截割過程中，會遇到各種復雜的地質結構和工作狀況。因此，截齒是整個采煤機中使用量最大，也是最容易損壞的零件之一。截齒一旦失效，需要進行更換，除了截齒自身的價值，停機更換截齒也會影響采煤生產，降低產量，造成更大的經濟損失。因此，對采煤機截齒的失效形式進行分析，并提出相應的改進對策，具有廣泛的實用價值和良好的經濟價值。

1 截齒常見的失效形式

1.1 硬質合金頭脫落

截齒大多是以優質合金結構鋼作為齒體，通過釬焊的方法，利用銅基釬料把硬質合金焊接到截齒齒頭。首先由于釬焊焊接的工藝的問題，截齒釬焊焊縫的間隙大小對焊接質量具有決定性的作用。如果焊縫太小，焊料難以流入；如果焊縫過大，又容易出現虛焊假焊等現象。再次，由于齒體和齒頭需要采用錐面配合進行焊接，前期機械加工中錐面一定會產生誤差，焊接中就不可避免的會在出現夾焊、虛焊、焊接裂縫等問題。最后，在截割過程中，由于地質結構復雜多樣，生產強度要求高，截割煤巖時會產生反復而且較大的沖擊，容易形成應力集中，最終導致截齒頭部硬質合金松動、脫落。

1.2 硬質合金頭崩刃

由于煤礦井下地質結構復雜多變，綜采工作面不間斷作業，截齒始終處于一種連續疲勞的工作狀態。在這種情況下，一旦遇到堅硬的巖石或礦料，拉應力和剪應力共同作用超過了硬質合金的疲勞強度極限時，就會發生碎裂，板形截齒的失效形式為硬質合金刀片的斷裂，鎬形截齒的失效形式為齒頭的折斷。通過實驗分析可以看出硬質合金頭崩刃的主要的原因有兩個：一是硬質合金本身材料的問題，由于合金是多種金屬合成的，其內部不可避免的會含有雜質，晶粒分布不均，容易產生裂紋；二是制造工藝的問題，由于硬質合金齒頭大都采用熱壓工藝，很容易產生密度分布不均、熱應力、冷卻裂紋等問題。

1.3 截齒的磨損

（1）磨粒磨損

磨粒磨損主要是在截割過程中，破碎的煤巖和煤矸石等比較堅硬鋒利的物質與截齒切削表面摩擦形成細微的切削。如果磨粒的切削角度恰好刺入或切割截齒，則會在截齒表面形成犁溝或者劃痕，在連續不斷地惡略工況下，隨著時間的推移，截齒被磨粒反復擠壓、切割，之后會發生塑性變形，截齒內部密度也會隨之發生變化，齒面產生微小的的裂紋，裂紋擴展，慢慢就會崩裂掉落，最終失效。

（2）熱疲勞磨損

除了磨粒磨損，截齒在工作過程中，由于摩擦會產生大量的熱，溫度能夠達到600～800℃。由于滾筒在截割過程中帶動截齒做往復回轉運動，截齒和煤巖的接觸是周期交變的，當截齒離開煤壁時，在冷卻噴霧的作用下，截齒會迅速降溫，其過程如同熱處理中的高溫回火處理，金屬晶格組織很容易由原來的珠光體和奧氏體轉變為回火索氏體和鐵素體，硬度變為原來的一半。隨著截齒的繼續使用，截齒溫度繼續周期性交變，材料表層硬度進一步下降，截齒內部會出現塑性流動變形和密度錯位現象，其最終的結果就是導致截齒表層出現橫向細微裂紋，發展成大的裂紋，直至崩裂失效。

1.4 齒身彎曲

截齒在遇到一些特殊工況時，會產生很大的截割力致使截齒在滾筒上發生位置的轉移變化。另外，截齒本身雖然剛開始發生的是塑性變形，但隨著產煤過程的持續，塑性變形逐漸轉變為永久的彎曲變形。截齒位置的變化和齒身彎曲變形共同作用，導致截齒失去應有的作用，難以完成工作任務。

1.5 齒身折斷

齒身折斷一般是由三方面原因造成的。

一是由于截齒自身的原因，在制造時，熱壓的原因，不可避免的會產生殘余熱應力，在使用中就容易形成裂縫，最終折斷。

二是工況復雜，有時會遇到堅硬的巖石或者夾雜，瞬時載荷超過截齒的需用強度，從而造成折斷。

三是采煤機司機的不當操作造成的，比如切割到頂板等情況。

1.6 截齒丟失

截齒與滾筒之間連接不牢靠和連接固定裝置的磨損是截齒丟失主要原因。另外，檢修人員沒有定期認真的對采煤機進行檢修保養，也是一個不可忽視的因素。

通過實踐及大量的研究表明，截齒的失效形式與工況環境以及操作檢修有著極為密切的聯系。煤質較硬且矸石較多時，主要是失效形式為硬質合金頭脫落和崩刃；煤質較為松軟時，截齒的主要失效形式為磨損；遇到特殊地質情況、操作不當或沒有按照規程檢修及保養時，就容易發生齒身彎曲、折斷及丟失等問題。

2 采煤機截齒失效故障樹分析研究

根據前面對的分析，建立采煤機截齒失效故障樹，見圖1，符號含義如表1所示。

圖1 采煤機截齒失效故障樹

表1 采煤機截齒失效故障樹符號含義說明

對圖1所示故障樹進行定性分析，求最小割集，以此判斷相關底事件對與頂事件的影響。布爾運算方法見式（1）：

從（1）可以看出，采煤機截齒失效故障樹的最小割集為 {x1}，{x2}，{x3}，……，{x8·x9}，{x10}，{x11}，{x12}，{x13·x14}。 因此， 除了割集 {x8x9}和{x13x14}外，其余割集均是單一事件，系統可靠性較差。

根據布爾運算結果，根據式（2）計算頂事件概率，當已知每個因素發生概率時就可以求得整個故障的發生概率。

則：

3 提高截齒壽命的對策

3.1 設計方面

（1）截齒結構優化設計

通過實驗和計算機仿真相結合的手段，優化采煤機截割頭的尺寸、螺旋線升角及幾何外形。除了對截割頭進行宏觀的優化，還應當對截齒的外形結構、分布情況、截割參數等細節進行優化。通過上述優化設計，使截割頭上的每一個截齒受力和磨損基本相同，采煤機運行平穩、產能穩定，最終達到延長截齒壽命，減少更換截齒頻率的目的。

（2）選擇合適的金屬牌號

要延長截齒的壽命，截齒的幾何機構和金屬材料不是一成不變的，需要根據實際情況，特別是煤層硬度對金屬牌號進行選擇。一般情況下，煤層較軟的情況多選擇YG11或者YG13合金刀頭；硬度較高的情況時，則多會選擇含YG25及表面進行涂層處理的刀頭。

3.2 制造方面

（1）裝配精度要高

只有按技術要求將截齒裝配在齒座中，截齒才能在截割過程中實現自由轉動。雖然在其后的生產過程中無法避免磨損，但由于是均勻磨損，所以始終能夠保持刀齒的鋒利，滿足使用要求。

（2）釬焊工藝要好

齒身和齒頭通過釬焊工藝進行連接，焊接的工藝性就顯得非常重要。通過實驗表明，焊縫的大小直接決定釬焊的質量，一般來說焊縫在0.08～0.15之間，焊接出來的效果最好，截齒的壽命最長。

（3）提高熱處理水平

在上世紀90年代以前，截齒的加工需要兩次熱處理過程，雖然截齒的硬度能夠保證，但由于熱處理次數較多，難免會使齒頭變脆，并且容易在截齒內部由于殘余應力的作用造成微裂縫。90年代中后期提出截齒釬焊和熱處理一體化工藝，釬焊、熱處理在真空爐中加熱一體化完成，避免了釬焊完成后空冷淬火，多次熱處理的問題，在保證截齒表面硬度的基礎上，有效的提高了截齒的韌性，延長了截齒的壽命。

（4）采用“三高”工藝

把高純鎢粉、高溫碳化、高溫還原三項新技術運用到硬質合金齒頭的加工中，稱為“三高”工藝。采用“三高”工藝生產的硬質合金質地均勻，在力學性能方面得到了極大的提高。

（5）表面熱噴涂

傳統的表面硬化熱處理工藝，如滲碳、滲氮、碳氮共滲工藝，不僅耗時長，熱變形大，而且容易產生微裂紋。采用熱噴涂工藝，時間斷，熱變形小，而且會在齒頭表面形成一層硬度極高的耐磨層。

（6）推廣堆焊強化技術

由于齒頭和齒身在釬焊加工中的焊縫的存在，所以在實際使用中，容易產生硬質合金齒頭脫落、磨損等失效情況，為了減少該情況的發生，提出堆焊表面強化技術。堆焊表面強化技術就是在齒頭及齒頭與齒身的連接處，用耐磨焊絲進行堆焊，從而提高齒頭的耐磨性，夯實齒頭與齒身的連接性，最終全面提升截齒的綜合機械性能。

3.3 使用方面

（1）截齒的選擇

在使用截齒截割煤巖時，應根據煤巖的軟硬程度及夾雜的情況進行選型，不能一概而論。在截割過程中，如果遇到比較大的阻力，可以適當降速，提升切割力，防止電機過載。

（2）維護和保養

在使用中，要時刻注意截割頭的狀態，如果發出異響或者其他緊急情況應及時停機檢查。定期對刀齒進行檢查與保養，當硬質合金齒頭被磨去2 mm以上時，應當及時更換。另外，如果發現丟齒或者折斷現象，也必須及時添補。

4 結語

綜上所述，只有通過對截齒的失效情況進行深入的研究，才能從設計、制造、使用三個方面入巷圍巖控制技術手提出相應的對策，降低截齒失效的可能性，提高截齒使用的可靠性，延長截齒的使用壽命。在生產實踐中，不僅減少了截齒的使用量，降低了采購成本；還能大大縮短截齒的檢修更換時間，提高煤炭生產效率，為大型高產礦井的建設和發展打下堅實的基礎。