采煤機滑靴磨損失效分析及檢測系統優化研究

史 杰

（霍州煤電集團霍源通新產業投資有限公司，山西 霍州 031400）

1 引言

霍州煤電干河煤礦反饋其采煤機的導向滑靴經常由于磨損而失效。采煤機滑靴損壞維修和更換過程艱難，既耗時又耗費人力。因采煤機在井下條件惡劣的環境中工作，想要快速完成損壞的滑靴更換和維修極為困難[1]。研究分析采煤機滑靴的磨損機理，找到滑靴的失效問題，改善滑靴的使用壽命，是現在該礦需要首要解決的問題[2]。根據采煤機滑靴結構及運行的實際工況，分析滑靴的磨損原理，查看運行參數情況，利用機械設計理論以及應力應變電學知識，優化設計有效檢測滑靴磨損的檢測機構，并運用于工程實踐，驗證該檢測機構的優化設計的實用性，從而解決礦井困擾多時的采煤機滑靴失效問題。

2 采煤機滑靴磨損失效機理

2.1 滑靴磨損分析

采煤機在運行中，滑靴與行走輪因銷或者栓連接產生相對滑動的摩擦，如圖1。礦井下采煤機工作環境差，滑靴與行走輪間不能夠及時添加潤滑油，兩金屬硬件在干摩擦下會產生高溫高熱，致使滑靴磨損嚴重。當細小煤巖塊、泥土、煤灰等進入到滑靴與行走機構的連接間隙內，造成滑靴相對運動阻力迅速激增，滑靴磨損故障顯著加劇[3]。根據該礦采煤工作面統計，當采煤機割煤1000m左右的時候，就必須修護或者更替采煤機滑靴。但是采煤面工作空間狹小，條件有限，很難在采煤面完成采煤機導向滑靴的安拆裝過程，出現滑靴損壞無法及時維護，造成礦井采煤效率低下，給該礦井造成了巨大的生產效益損失。

圖1 采煤機行走輪與滑靴的連接布置圖

2.2 滑靴失效機理分析

表1所示為滑靴運行期間牽引力、負載力和載煤量的三個運行參數統計情況。該數據是從滑靴開始安裝至運行過程中失效的現場采集數據。采煤機導向滑靴從工作正常到運行失穩的狀態中，承受的負載作用力與載煤量有關，且牽引力越大，載煤量反而越小。造成載煤量降低的因素主要是煤矸石過多和滑靴摩擦力增大。根據數據分析表明，煤矸石含量過多，負載相應變大，但滑靴摩擦力也增加，故牽引作用力、承受負載作用力、摩擦力是滑靴因磨損失效表現出來的參數。

表1 采煤機滑靴工作期間運行參數5組數據統計表

采煤機在割煤的過程中，煤巖石、泥土、煤灰等容易入侵導向滑靴與行走結構的連接處，造成因干摩擦作用損壞。采煤機的自重，加上開采煤層會對滾筒有垂直方向的壓力，侵入的煤矸石顆粒硬度過大，會在滑靴和行走輪間隙內造成觸變應力增大，滑靴因摩擦帶來槽狀磨痕，滑鞋表面形成剪切、犁皺和犁削等現象。在上述壓應力長久作用中，滑靴磨痕邊緣側就會發生裂紋現象。若煤矸石顆粒被重大的壓力嵌入到滑靴表面耐磨層，就會使滑靴產生塑性變化。在采煤機繼續運轉下，滑靴表面因被擠壓作用使得表面出現層狀或鱗片狀的剝落碎片，最終造成采煤機滑靴因磨損失效。

3 檢測機構優化設計

3.1 檢測機構

了解、確定采煤機的滑靴磨損情況和具體位置，可以通過檢測機構來實現。檢測機構的工作原理[4]：開啟動力裝置結構并施加載荷作用，利用數據收集傳感器進行實時檢測，主要獲取上文提到的牽引力、負載力等信息，通過傳輸系統把信息呈現在控制器上，實現人與機交換，進而快速實現對滑靴維修或更換。檢測機構的核心硬件主要是數據收集等結構件，控制器對收集的失效參數進行計算、分析和處理。參數采集結構主要是測力傳感器和應力應變檢測電路，通過電壓信號變化進行轉換而得到數據。

檢測機構中測量摩擦力和加載力的儀器是測力傳感器，通過檢測電阻的電壓變化達到測力的目的。鋁合金和兩個應力應變片構成了測力傳感器。當滑靴的加載力和摩擦力等作用在鋁合金上時，應力應變片發生變形，此時檢測應力應變片上電阻電壓變化值，經轉換就可得到滑靴在鋁合金上的作用力值。鋁合金上水平方向和垂直方向均粘貼有應力應變片，該應力應變片在作用力下隨鋁合金一起發生伸縮變形。

不足之處是檢測機構中的應力應變片阻值與發生形變的系數小，電阻值變化差值很微弱，在測量電壓信號時，很難采集到變化值，因此為了準確地檢測滑靴磨損情況，就必須測得合理有效的電信號，檢測電路必須合理地優化設計。

3.2 檢測電路

優化設計檢測電路是為了實現微小變形也能檢測到其電壓信號[5]。設計檢測電路采用單臂惠斯通電橋，而且是兩組的四分之一的電橋，每組電橋具有一個應力應變片，來達到測量微小電壓變化的精確值。

根據電學知識可知，檢測電路中檢測采煤機滑靴磨損的電壓變化值可以表示為：

式中：

ΔU-檢測電路電壓變化值，V；

K-一根電線上的靈敏度系數；

U-電路中電阻上兩端電壓，V；

ε-應變片的應變值。

由公式可知，檢測電路檢測采煤機的滑靴磨損的電壓ΔU與鋁合金表明受到應力應變 是正比關系。將采集數據的傳感器上的應力應變片分別接入到兩個1/4單臂電橋檢測電路中，兩個電路電壓變化值分別用ΔU1和ΔU2表示，則這兩個的電壓信號與鋁合金表面的水平方向和垂直方向的應變值是成正比的。只要測量出兩個單臂電橋電路中的電壓信號ΔU1和ΔU2，便可知道滑靴受到的摩擦力和加載力情況，進而確定其磨損大小和位置，維護人員能夠快速確定滑靴的維修維護。

4 工程實踐

采煤機運行當中，煤矸石顆粒極易侵入滑靴與栓、銷間的空隙當中，造成滑靴因磨損失效，滑靴因磨損表面會產生擦傷、劃傷、犁溝和凹坑等破壞形式。滑靴磨損危害程度與煤矸石顆粒硬度、數量、顆粒大小以及本身表面的耐磨性、接觸抵抗應力等因素有關，故可以采取以下措施降低采煤機滑靴磨損：

（1）根據檢測機構確定容易造成滑靴受沖擊載荷的位置，優化受沖擊載荷的機械結構，改善該部的機械性能，添加輔助性的PID控制系統自動調高結構穩定性，消化部分滾筒的沖擊載荷，從而為滑靴所受到的沖擊載荷分壓。

（2）采煤機滑靴工作環境惡劣，須采用高強度高耐磨性的優質合金鋼材料，并運用先進的激光熔覆技術在基體的低碳合金鋼表面堆焊碳鎢耐磨合金粉末，來提高滑靴的綜合力學性能，延長其使用壽命。把改進后的采煤機滑靴運用于該礦采煤機上，并使用優化后的檢測機構對其實時檢測和分析。

圖2 檢測機構對滑靴磨損的檢測分析圖

運用優化設計的檢測機構對采煤機的滑靴磨損進行了檢測，通過電壓值變化采集了導軌的加載力和摩擦力。經過處理分析后發現加載力隨摩擦系數增大呈波動形式在變化，而滑靴的摩擦力卻隨摩擦系數變大而增大。檢測機構還能檢測出滑靴表面的耐磨層完整度、曹狀磨痕、滑靴邊緣的裂紋等狀況，如圖2所示，表明優化設計后的檢測機構性能更加優良，為維修采煤機滑靴機械的故障提供了便利。從而說明滑靴在采用改進措施后與檢測機構的輔助作用下，能夠提高該礦井的采煤效率。

5 結論

該礦由于采煤機的導向滑靴常常發生故障，導向滑靴在井下維修、更換困難，造成該礦井采煤滯后、效率低下等問題，本文對滑靴失效機理進行了分析，并優化設計了檢測滑靴磨損的檢測機構，主要得出以下結論：

（1）煤矸石等顆粒物質侵入到滑靴與栓、銷連接的間隙內，干摩擦使得滑靴損壞。滾筒的垂直分力作用造成滑靴表面應變增大，滑靴表面發生剪切、犁皺、犁削、剝落碎片等現象。

（2）為了精準確定滑靴失效情況，檢測結構采用帶有應力應變片的采集傳感器和四分之一的單臂惠斯通電橋電路，測量電壓信號便可檢測滑靴受到的摩擦力和加載力。

（3）把改善后的滑靴運用于該礦采煤工作面，在檢測機構的輔助作用下，解決了礦井困擾的問題。