現代煤用挖掘機錐齒挖掘中磨損的性能分析及研究

任 斌

（陽泉陽煤集團有限責任公司三礦機電工區， 山西 陽泉 045000）

引言

煤炭是我國使用最廣泛的燃料之一，雖然我國能源結構有所調整，但是煤炭仍然將作為重要的化工原材料存在。采煤機鼓和采煤頭的切割頭是煤炭開采過程中使用的主要部件，消耗了80%～90%的采煤機功率。在采礦過程中安排在螺旋鼓和切割頭上的錐形鎬反復與煤炭相互作用，經常發生變形和磨損。

1 挖掘機錐齒挖掘中磨損的相關研究

切割頭的工作條件非常惡劣，整個開采復雜且強度極大。其通常由硬質合金刀頭，鎬體和鎬柄組成，安裝在刀柄上，如圖1所示，并用彈簧法蘭將其固定。

圖1 來自德國WAZE等人建立的挖掘機錐齒模型

其用于在撿拾器焊接時打破煤巖切割頭。在高溫壓條件下錐形選擇影響工作效果，這往往是導致失敗工作失效的主要因素之一。許多研究人員越來越重視切割頭失效的表現，并指出這一點失效形式主要包括過早磨損，硬質合金刀頭脫落，傾翻，斷裂和正常磨損。其中，由于正常磨損，過早磨損和硬質合金刀頭掉落等磨損失敗，約占故障的75%[1]。

為了研究錐形鎬在使用過程中如何磨損，一方面，研究人員正在逐步通過模擬和實驗研究鎬切割煤巖的負載。對于仿真，研究人員主要使用有限元法和離散元素方法。為了進行實驗，研究人員建立了不同的測試裝置，例如煤巖切割試驗臺，自動旋轉煤/巖石切割模擬器（ARCCS），單切切割試驗臺，全尺寸切割鉆機和重建試驗裝置。然而，研究人員發現，并非所有挑選的切割頭都會產生過載，并且對負載導致的磨損研究較小。這是選擇磨損機制曝光不足的主要原因[2]。另一方面，研究人員正在逐步開展更多的研究來直接挑選磨損切割頭。在多次切削試驗中主要研究鎬的磨損類型。在這些條件下，挑選只有一些表面劃痕輕微磨損，并且測試的磨損質量損失小于1 mg。由于嚴重的局限性，這個結果研究還不足以顯示切割頭的磨損特征。挑選磨損特征應該包括挑選在切割過程中磨損對磨損狀態以及切割性能的影響。在此基礎上，應該研究鎬削類型，結構和工作角參數對鎬磨損的影響采用實驗裝置切割煤巖，分析切削磨損對切削性能的影響為減少切齒磨損提供實驗依據。

2 挖掘機錐齒挖掘中磨損的實驗方法

在煤巖切割試驗臺上進行實驗以模擬圓錐形切割煤巖的過程。試驗臺包括主、輔傳動系統，切割裝置，液壓控制系統和信號采集系統。主傳輸系統用于導致切割設備旋轉。電機功率為30 kW，電機轉速可以控制在0～180 r/min之間以改變切割速度。可以推動切割裝置來改變切割寬度，由液壓系統控制。副傳動系統用于移動煤巖[3]。

該運動通過驅動齒條裝置的液壓馬達來實現，并且其速度可以被控制在內0～10 m/min以改變進給速度。作為設計的切割設備包括端板，輪轂，卡盤和拾取裝置。本研究在沒有考慮圓錐形鎬自轉性能的情況下進行，以確定鎬影響切削磨損的類型，結構和工作角度參數。挑選期間不應該在挑桿架上旋轉實驗，因此撬固定塊被設計為限制鎬的旋轉。本文主要關注配置參數以及結構參數，對不同類型的煤巖沒有進一步分析。根據以前模仿煤巖的成功案例，水泥和沙子被用作基礎材料模擬煤巖，質量比例分別為1∶2。模擬的煤巖具有強烈的均質性，可以消除次要因素的影響，使實驗結果更可靠。單軸模擬煤巖的抗壓強度大約為20～25 MPa，抗拉強度約為2 MPa。模仿樣品在一個位移處分裂0.75 mm，發生局部峰化，這與天然巖石的脆性相似。與應力曲線相比較結果表明模擬煤巖可以用來準確模擬自然界的特征巖。

3 結果與討論

3.1 切割類型對磨損的影響

對稱和不對稱切割類型是切割頭上的鎬和切縫所使用的兩種主要切割類型。本文對選擇的切口創建了一個自由曲面，用于下一個切割，并由相鄰的選取點組成切割創造切口II可以被視為不對稱的切割過程。煤的反應作用于兩者切割頭的邊緣，導致切割頭的力量平衡。創建切口III的切割可視為對稱切割處理。

為了研究切削類型對切削磨損的影響，選擇了普通切削，并且硬質合金刀尖的高度為18.6 mm；碳化物尖端的錐角為80°；拾取體的頭部直徑為24mm。傾斜角度和切割角度分別為0°和40°。通過調節電機頻率將切割設備的轉速設置為150 r/min；煤巖的移動速度為1.5 m/min，在此之下挖掘的最大切削深度為1 cm條件。圖2顯示了在對稱和不對稱切割類型下具有磨損的鎬的宏觀輪廓。

圖2 在對稱和不對稱切割類型下磨損的宏觀輪廓

如圖2所示，截齒在不對稱切割類型下僅在一側上磨損，而在兩側對稱下表明非對稱切割類型下的磨損質量損失是對稱切割類型下的磨損質量損失的一半，并且提高了工作壽命。上面的分析是在沒有考慮圓錐形鎬的自轉性能的情況下進行的。但是，扭矩在實際工作的切割過程中，由于切割軸上的負載不平衡而導致圓錐形切齒旋轉條件。這可以從圖2中的兩種切割類型下的挑選磨損看出，其中鎬上不對稱的切割類型的負載必須不平衡，并且選擇具有自旋旋轉的潛力。當在非對稱剪切類型下觀察采摘側的磨損時，可以確定采煤與煤巖相互作用的摩擦方向。磨損形成與拾取軸成一定角度，這表明摩擦力可以沿拾取軸及其垂直方向分解，沿著垂直方向分解的力可能導致鎬轉動。因此，在非對稱切割類型下切割頭者的自旋能力將明顯降低磨損。

3.2 扒體的頭部直徑對磨損的影響

堆焊焊接鎬已被用于解決由于切割過程中的磨損而引起的剔除問題。一個正常的選擇和堆焊焊接接頭如圖3所示。從圖3可見，堆焊的基本目的是增加焊接面鎬體的直徑及其抗磨損能力。雖然鎬體與煤巖相互作用，但鎬可以長時間使用。因此，是否要實現焊接堆焊的基本目標應該被討論。

圖3 正常堆焊焊接

通過改變拾取體的頭部直徑來模擬拾取結構變化堆焊，以及這種變化對鎬磨損的影響進行了研究。挑選體的頭部直徑被選擇為根據撿拾體厚度的增加，其厚度為 20 mm，22 mm，24 mm，26 mm和 28 mm，該行業目前使用的堆焊焊接。切割裝置的傾斜角度，切割角度，旋轉速度，煤巖的運動速度保持不變。采摘對稱采用對稱切割方式，而宏觀則采用對稱切割方式在相同的切削時間下，截齒不同頭面直徑下的截齒輪廓如圖4所示。

圖4 錐齒不同頭面直徑下磨損的宏觀特征

從圖4可以看出，拾取體的磨損面積隨著拾取體的頭部直徑而增加，幾乎沒有當頭部直徑為20 mm時，在撿拾體上磨損。這表明頭面直徑越小更容易使鎬體避免干擾煤巖；否則，一個大的鎬身頭部會磨損硬質合金刀頭，這表明其不能避免硬質合金刀頭脫落。此外，經過堆焊之后鎬體的表面硬度（HRC）普遍達到了62，根據煤炭行業標準，這遠遠低于硬度（HRC）85。因此，鋪面后的鎬體焊接比碳化物尖端磨損更快，并且其不能幫助硬質合金尖端切割煤巖。

3 結語

對挖掘機錐齒挖掘中磨損的相關問題進行了測試研究，但是，在生產中由于其工作環境的特異性，還需要進一步的研究與分析，這也是相關研究人員未來研究的重要內容。