采煤機截齒失效形式分析及應對措施

仝部雷

(山西省煤炭職工培訓中心，山西 太原 030000)

采煤機是煤礦綜采工作面生產的主要設備，在我國，超過80%的綜采工作面采用的是滾筒采煤機，而采煤機滾筒截齒無疑是實現安全快速生產的關鍵零部件[1-2]。由于工作面地質條件復雜，在生產過程中常會出現一些特殊的地質構造，在割煤過程中會發(fā)生截齒磨損嚴重、折斷或者丟失的現象[3-4]。

采煤機截齒破煤主要是通過旋轉的方式進行的，所有在生產過程中截齒磨損的位置基本一致；截齒安裝的方式也是通過卡簧與齒套進行嚙合，因此嚙合不合適會導致生產過程中截齒甩出[5]。為了提高采煤機割煤工效，降低截齒損壞率，必須對其截齒失效形式及機理進行分析并找出相應措施，從而提升采煤機整體性能，實現高效生產。

1 截齒常見的失效形式

1.1 合金頭脫落

截齒大多數是以優(yōu)質鋼作為齒體，用高強度合金材料制成齒頭，再將齒頭與齒體進行焊接而成。在生產過程中，尤其是割巖過程中，采煤機截齒受到堅硬巖體的沖擊，形成應力集中，導致齒體磨損嚴重，齒頭發(fā)生松動，直至脫落。

1.2 磨粒磨損

在采煤機截割過程中，截齒割下的細小煤巖塊吸附在截齒表面，在長時間的截割過程中，反復與截齒進行摩擦、切削，在截齒表面形成劃痕。隨著長時間的生產，劃痕一直受到擠壓、切割等來自外部的作用力，逐漸擴展形成裂紋，裂紋繼續(xù)受到煤巖體的沖擊、磨粒的反復切割，慢慢就會崩裂掉落，最終導致截齒失效。

1.3 截齒彎曲、折斷

采煤機割煤時，截齒的受力是一個復雜的過程。當遇到堅硬巖體時，較大的沖擊力會使截齒位移發(fā)生改變，截割部位發(fā)生變化，受力由原來受壓變?yōu)槭芗?，導致截齒發(fā)生塑性變形。隨著采煤機截割的持續(xù)進行，塑性變形逐漸轉變?yōu)橛谰米冃危旪X體的剪切應力超過齒體極限強度時，就會出現齒體折斷的現象。

1.4 截齒丟失

截齒與齒體主要依靠卡簧進行連接，空載下的截齒在煤機滾筒旋轉過程中產生離心力，當截齒齒套被磨損或卡簧受到反復沖擊發(fā)生破壞時，就會造成截齒甩丟、截齒甩出，給現場安全生產造成了極大的安全隱患。

2 截割過程截齒受力分析

在整個割煤過程中，截齒與煤巖體接觸的部位主要可以分解為3個方向受力，分別為截割阻力F1、牽引阻力F2、側向擠壓力F3，如圖1所示。根據受力分析，F1=rd(r為截割系數，N/mm；d為滾筒截深，mm)；F2=KF1(K為煤質系數，一般取0.4～0.8)；F3=(0.1～0.2)F1。

本文主要以U95截齒為研究對象，煤機正常割巖石的速度6 m/s，截割系數取1.35，滾筒的截深865 mm，截割阻力F1=1.35×865=1 168 kN，F2=0.6×1 168=701 kN，F3=116.8 kN。

3 數值模擬分析

采用ABAQUS軟件模擬生產過程中，幾種破壞情況下截齒的受力狀態(tài)。模型合金頭、齒體均為彈性體，結合U95截齒實際情況，選用表1所示參數。齒座為剛體，在齒座端部設置完全約束，齒體卡簧部位施加軸向和旋轉約束，合金頭施加截割阻力F1，牽引阻力F2，側向擠壓力F3，具體數值如以上計算所得。

圖1 截齒受力示意

表1 模型材料物理力學參數

3.1 正常割煤情況下截齒受力

煤機在割煤過程中，得到截齒受力云圖如圖2所示。由圖2可知，正常生產過程中截齒受力范圍在1.2～1 057 MPa之間，最大應力出現在截齒合金頭處，由于該位置在生產過程中反復與煤巖體接觸，造成應力集中，但是其最大值為1 057 MPa，遠遠小于其材料的強度極限。齒體受力集中在705.4～969.4 MPa，遠遠小于其材料的強度極限。充分說明，截齒完全可以滿足其正常割煤需求，可以承受長時間的摩擦與沖擊。

圖2 正常生產過程中截齒受力云圖

3.2 齒體發(fā)生磨損情況下截齒受力

在割煤過程中，由于截齒安裝角度或者受到巨大沖擊，齒體前端會反復與煤巖體接觸，發(fā)生強烈的摩擦。這種情況下，截齒受力云圖如圖3所示。由圖3可以看出，這種情況下最大應力變?yōu)? 766 MPa，已經超過了齒體本身的強度極限，最大主應力主要出現在齒桿及齒體前端，在反復的摩擦、擠壓過程中，該區(qū)域應力會持續(xù)增加，齒體會發(fā)生變形、彎曲，直至折斷。

圖3 齒體發(fā)生磨損情況下截齒受力云圖

3.3 合金頭脫落情況下截齒受力

生產過程中常出現合金頭脫落的情況，這種情況下截齒受力云圖如圖4所示。由圖4可知，這種情況下齒體所受的最大應力增加至1 108 MPa，已經超過了齒體的強度極限，且最大主應力位置主要集中在合金頭安裝孔底部附近，在大截割阻力作用下，該處會發(fā)生嚴重變形，最終演變?yōu)楹辖痤^安裝孔碎裂。

圖4 合金頭脫落情況下截齒受力云圖

從模擬結果可知，在正常情況下，U95截齒完全能夠滿足生產需要，一旦截齒某一部位出現了不完好，截齒整體受力將發(fā)生變化，最大應力將超過本身的強度極限，長期反復的摩擦、沖擊，造成截齒變化、破壞。

4 截齒失效防治措施

根據研究結果，在截齒使用過程中，現場應采取以下應對措施：①加強煤機截齒日常檢查，尤其是遇特殊地質構造帶、堅硬巖石時，增加檢查頻率，發(fā)現有局部不完好的及時更換；②對截齒使用周期進行登記，合理分配新舊截齒比例，避免大量截齒進入疲勞斷裂期；③與截齒生產廠商及時進行溝通，要求加強合金頭焊接工藝，增加焊縫強度和抗沖擊性；④在截齒尾端加裝擋板，防止生產過程中截齒出現甩丟現象。

5 結 語

本文以U95截齒為研究對象，通過理論計算、數值模擬等得出了以下結論：

1) 通過理論分析，得出了截齒三向應力值，截割阻力F1=1168kN，F2=701kN，F3=116.8kN。

2) 通過數值模擬對截齒不同情況下受力進行分析，在正常情況下，U95截齒完全能夠滿足生產需要，一旦截齒某一部位出現了不完好，截齒整體受力將發(fā)生變化，最大應力將超過本身的強度極限，從而發(fā)生失效。

3) 根據分析結果，提出了加強檢修、合理分配新舊截齒比例、加強合金頭焊接工藝、截齒末端安裝擋板等措施，提高截齒截割效率，降低安全風險。