采煤機截齒分析與優(yōu)化

張新

摘? ? 要：現(xiàn)階段，隨著社會的發(fā)展，我國的煤礦工程的發(fā)展也突飛猛進(jìn)。采煤機是煤礦“三機”之一，是集機、電、液為一體的大型現(xiàn)代化采煤機械。由于工作環(huán)境復(fù)雜惡劣，受力較大，在高強度、高負(fù)荷的采煤生產(chǎn)作業(yè)中，采煤機的一些機械部件經(jīng)常會出現(xiàn)磨損失效的問題。其中截齒做為落煤、碎煤的主要工具，是采煤機的易損件之一，截齒的磨損失效問題也是比較常見的。如果截齒出現(xiàn)磨損失效，則會直接影響到采煤機的截割性能和采煤效率，影響正常的采煤生產(chǎn)，同時也會影響到其他相關(guān)零部件的使用壽命。通過對采煤機截齒失效形式及其原因的分析，采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，使截齒綜合性能得到提高，使用壽命延長，滿足當(dāng)前煤礦采煤機械化下安全生產(chǎn)和高效生產(chǎn)的要求。

關(guān)鍵詞：采煤機;截齒分析;優(yōu)化

1? 引言

采煤機是煤礦井下采煤的關(guān)鍵設(shè)備之一，我國大多數(shù)使用的是滾筒采煤機，采煤機上的截齒是截割煤巖塊的主力零件。由于井下工況環(huán)境十分惡劣與復(fù)雜，突出堅硬煤巖體較多，所以采煤機滾筒失效時有發(fā)生。而且為了使對煤巖體的破壞力度達(dá)到最大，一般采用尖銳的滾筒截齒，這樣會減輕截齒上的力，破碎煤巖體。采煤機截齒的采煤方式是通過旋轉(zhuǎn)的方式，所以截齒磨損部位大都相同，為了保持截齒的尖銳性，滾筒一般采用的是自磨刃的方式。為了保持采煤機的高工作效率，還需對采煤機運行時截齒的受力進(jìn)行分析，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整改進(jìn)，從而提升采煤機工作性能。

2? 截齒失效形式及原因分析

截齒是采煤機對煤巖進(jìn)行截割的主要工具，它與煤巖直接接觸做功，因而在采煤截割作業(yè)時，尤其是遇到煤層中堅硬物質(zhì)時，截齒會承受比較大的剪切力和沖擊荷載。繼而使截齒發(fā)生磨損變形，刀頭脫落，齒身折斷等問題，導(dǎo)致截齒失效，具體分析，截齒失效的形式及原因主要有以下。

2.1? 截齒磨損

①磨粒磨損是截齒磨損的主要形式，采煤機在截割煤巖的過程中，同時會產(chǎn)生一些大小不等且質(zhì)地堅硬的磨粒，這些磨粒會在高強度壓應(yīng)力作用下壓入齒面。久而久之則會造成截齒的磨損和鈍化，在反復(fù)的塑性變形作用下還會使截齒表面材料產(chǎn)生裂紋，甚至脫落，使截齒強度下降;②疲勞磨損，截齒材質(zhì)主要為低合金結(jié)構(gòu)鋼，截齒在截割作業(yè)過程中，長期間歇性的荷載沖擊，循環(huán)應(yīng)力作用，以及刀頭溫升交替下反復(fù)的熱脹冷縮，都會使截齒硬度下降，產(chǎn)生金屬疲勞，繼而加快截齒磨損，增加斷齒的風(fēng)險;③腐蝕磨損，主要是井下環(huán)境中的水和煤層中一些硫化物等腐蝕介質(zhì)，與截齒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而造成的齒面腐蝕破壞。

2.2? 截齒刀頭脫落

截齒刀頭為合金材質(zhì)，焊接于齒體端部，采煤截割中由于較大的沖擊力影響，刀頭焊接部位會受到不同方向的應(yīng)力作用。使用過程中當(dāng)磨損達(dá)到一定程度時，由于焊縫或焊部缺陷處產(chǎn)生的應(yīng)力集中問題，會使刀頭無法克服應(yīng)力而脫落，繼而導(dǎo)致截齒完全失效。

2.3? 刀頭崩刃

當(dāng)?shù)额^在截割過程中遇到煤層中的堅硬物質(zhì)時，齒刃遇到的切應(yīng)力和壓應(yīng)力會突然增大，如果應(yīng)力值超過刀頭可承受的應(yīng)力極限時，就會產(chǎn)生崩刃。崩刃會使刀頭鈍化，影響截割效率，并導(dǎo)致截割中刀頭受到的阻力和應(yīng)力增大，加快截齒失效。

2.4? 齒身變形折斷

截割煤巖過程中，刀頭會受到應(yīng)力變化，溫度變化，沖擊荷載和環(huán)境腐蝕等多方面問題的影響，進(jìn)而使齒身因金屬疲勞而發(fā)生彎曲變形甚至折斷，而使截齒完全失效。

3? 提升截齒可靠性的方法

截齒截割煤體時，截齒最常見的失效形式是磨損（磨粒磨損、疲勞磨損、腐蝕磨損）。截齒材料是防止截齒磨損失效的有效方法。除了采用硬度較大的截齒，還得做好防護(hù)措施，如利用堆焊的方法加固表面。應(yīng)用最廣的就是激光熔覆和熱圖噴技術(shù)。當(dāng)煤巖體硬度較大時，需選擇具有良好韌性和塑性的截齒，當(dāng)硬度較低時，截齒硬度也應(yīng)相應(yīng)的增加，從而來達(dá)到更好的截割效果。如果煤巖層節(jié)理和層理脆度較低時可選擇鎬形截齒，如果節(jié)理不脆時就得采用刀形截齒截割效果更好。另一個提升采煤機截割性能的就是調(diào)整采煤機滾筒合理的截齒安裝角度。主要包含沖擊角、傾斜角和歪斜角。由于沖擊部位不斷受到煤巖體的沖擊，所以一般固定沖擊角，角度設(shè)置在40°～50°之間。采煤機滾筒截齒的截割阻力與截齒沖擊角的變化成反比，即沖擊角增大，截割阻力減小。與歪斜角和傾斜角成正比，歪斜角增大，截割阻力也增大。在進(jìn)行截齒設(shè)計時，要充分利用摩擦力學(xué)的相關(guān)知識，使得滾筒截齒與煤巖體之間的摩擦力最低，減少滾筒截齒的磨損程度。而且在遇到極薄煤層時，需要重新設(shè)置滾筒截齒參數(shù)，來更好地切割極薄煤層，避免因為截齒與煤體摩擦過度，而導(dǎo)致截齒失效。這樣不僅保護(hù)了了截齒的齒尖，增強了截割性能，也延長了截齒的使用時間。

4? 采煤機截齒失效的防治措施

4.1? 合理選擇截齒

礦用截齒的選擇首先必須保證其具有足夠的強度和韌性，同時還要具有良好的耐磨性和耐腐蝕性，因此，截齒材料性能非常關(guān)鍵。采煤機截齒常選用42CrMo、35CrMnSi、Si—Mn—Mo系準(zhǔn)貝氏體鋼等鋼種作為齒身材料。此外不同結(jié)構(gòu)特征的截齒，其力學(xué)性能也有很大的差異，采煤機中常用的有刀型截齒和鎬型截齒，在實際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)煤巖的物理機械性質(zhì)合理選用。一般對于韌性較大，節(jié)理不發(fā)達(dá)的軟質(zhì)煤層宜選用硬度較高的刀型截齒;而對于較為硬、脆的煤層較適用韌性較好的鎬型截齒。

4.2? 采用表面強化技術(shù)

磨損和腐蝕是導(dǎo)致截齒失效的最主要原因，因此為了提高截齒壽命，降低斷齒風(fēng)險，除了選用合適材料外，還應(yīng)采取各種表面強化技術(shù)以提高截齒的耐磨性，耐腐蝕性等理化性能。采煤機截齒常用的表面強化技術(shù)有等離子熔覆、激光熔覆、熱噴涂、堆焊等，可使截齒表面硬度、耐磨性、抗腐蝕性和抗氧化性等各類性能顯著改善，提高設(shè)備使用壽命和截割效率，從而適應(yīng)惡劣井下環(huán)境中高強度的采煤作業(yè)。

4.3? 優(yōu)化截齒安裝角度

截齒安裝角度的不同可影響其在采煤截割中的受力情況，因此截齒安裝角度對于采煤機截割性能和截齒使用壽命都有著重要影響。截齒安裝角度一般有歪斜角、傾斜角和沖擊角，通過生產(chǎn)實踐研究發(fā)現(xiàn)，截齒歪斜角、傾斜角增大，截割阻力和截齒磨損也會加劇;沖擊角增大，則截割阻力和磨損會相應(yīng)減小。因此在生產(chǎn)中截割深度一定時，可通過增大安裝角度來降低摩擦力和阻力，但安裝角度也不可過大，以免影響正常截割。這就需要我們在生產(chǎn)實踐中不斷加以研究總結(jié)和設(shè)計優(yōu)化，以根據(jù)煤層情況采用最合適截齒安裝角度。

5? 結(jié)束語

采煤機截齒失效的形式有很多，且原因比較復(fù)雜，涉及到機械學(xué)、材料學(xué)、熱力學(xué)等多個學(xué)科知識。對于煤層開采中截齒過快磨損和失效的問題，應(yīng)從多方面綜合考慮，通過合理選擇截齒，表面強化，優(yōu)化安裝角度等措施加以解決。從而提高截齒使用壽命，保證采煤機的正常使用，減少因截齒失效而造成的損失。

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