礦山機械摩擦磨損問題分析及防范

郝 寧

（大同煤礦集團同發東周窯煤業有限公司，山西大同 037000）

0 前言

在礦山機械中最為重要的設備便是采掘機械設備，該設備也是煤巖截割作業時所使用的重要設備。采掘機械設備中鎬型截齒是和煤巖直接接觸的，截齒自身性能很大程度上影響采掘機械截割作業的效率[1]。由于截齒所處的工作環境相對較差，而且在作業過程中一直處于高沖擊以及高應力的狀態下，非常容易導致截齒出現失效問題[2]。根據相關研究統計數據可知，國內煤礦開采過程中平均萬噸煤所需截齒數量在400—1300把之間，根據市場價格依照每把截齒價格在100元左右，我國煤炭年產量約為40億t，那么僅僅煤炭行業來說，每一年用于截齒更換的費用便為160～520億元。所以，如果可以有效提升截齒壽命，減少截齒部件的消耗數量，則將會取得非常大的經濟效益。

1 采煤機械截齒部件磨損對截割性能的影響

在截齒部件實際應用時，截齒的磨損問題不斷變得嚴重，同時截齒在截割作業時承受的載荷以及煤巖塊度情況，均會隨著截齒不斷被磨損為出現改變[3]。例如，截齒部件因為和煤巖存在直接接觸，由于截齒不斷地被磨損導致截齒和煤巖之間接觸面積不斷增加，從而導致截齒磨損問題變得更加嚴重，還會導致截割載荷進一步增大。由于截齒受到磨損使得齒尖逐漸變得鈍化，使得截齒無法更順利楔入至煤層之中，截割作業時能耗也會隨之增多。

此次對截齒進行研究所選用的截齒為普通截齒，截齒的合金頭高度值為18.6 mm，截齒齒尖的錐角是80°，齒身的端面直徑值是24 mm。試驗過程中把截齒部件和煤巖相互作用，確保截齒能夠被不同程度的磨損，分別為初期磨損情況、中期磨損情況以及后期磨損情況，截齒的外觀形貌如圖1所示。

從圖1可以看出，截齒部件在逐步出現磨損問題時，兩側部位以及煤巖干涉部位發生的磨損情況，將比齒尖位置和煤巖體接觸位置發生的磨損問題嚴重。另外，截齒齒尖結構在受到逐步的磨損之后，表現為圓弧狀，這對于截齒部件所擁有的截割性能會造成非常大影響[4]。

為能夠進一步分析截齒發生磨損問題情況下截割載荷變化情況，應用以上所得到的各種磨損狀況之下截齒與沒有發生磨損問題的截齒加以對比，針對不同截齒在進行截割作業時表現出的截割扭矩加以測量，同時對截割作業過程中截齒截割扭矩相應均峰值加以統計分析，所得數據如表1所示，為了更好分析數據，根據表中數據繪制均峰值曲線，如圖2所示。

圖1 各個磨損時期中截齒外觀形貌圖

表1 各種磨損狀況下截齒截割扭矩峰值統計

圖2 各種磨損狀況下截齒截割扭矩峰值統計圖

從圖中可看出，截齒部件的截割扭矩峰值在其磨損情況逐漸嚴重情況下，而且對應的離散性也不斷減弱，也表明了在截齒的磨損情況不斷嚴重情況下，會使得截齒與煤巖接觸面更大，同時還會使得磨損速度有所增加。在截齒部件發生初期磨損問題情況下，其截割扭矩和沒有發生磨損問題的截齒部件差異較小，相差的均值沒有超過50 N·m。截齒部件處于中期磨損情況下，和沒有發生磨損問題的截齒部件其截割扭矩增大約20%。截齒部件處于后期磨損情況下，和沒有發生磨損問題的截齒部件其截割扭矩增大約30%。因此，針對已經發生磨損的截齒部件，應當制定相應的措施，確保磨損面和煤巖體盡量少的接觸，或者是借助于特定工藝使得煤巖體更易于截割，否則將會使得截齒在較短時間內加劇磨損，截齒的使用壽命受到極大影響[5]。

2 基于預裂技術的截齒磨損防范工藝分析

由于此次研究中所采用的水射流直徑固定，所以設定預裂的寬度值保持不變，僅僅分析預裂深度帶來的影響。實際截割作業時設計的截割的深度值為10 mm，不同預裂深度下煤巖對截齒截割的阻止減少率具體數據如圖3所示。

圖3 不同預裂深度下煤巖對截齒截割的阻止減少率

從圖中可看出，在各種配置方式之下，截割阻力減少率都會隨著預裂深度值不斷增大逐漸的增大。之所以會出現這種現象，主要是因為煤巖之中的預裂深度不斷增大情況下，會使得截齒附近對應的應力區域范圍逐漸減小，而且也會使得煤巖崩落自由面有所增多，能夠確保預裂作業可以更為高效的輔助截割作業。所以，在預裂深度值不斷增大情況下，其對于截齒阻力的減少率同樣也會不斷增加，也表明了更易降低截齒所受到的截割阻力。

并且，若是其他條件相同，則采用中心配置方式情況下，預裂作業對于截割阻力的減少率均要優于采用側置式或者采用前置式的情況。若是預裂深度值較截割的深度小時，則采用水射流對截割作業進行輔助施工過程中，截齒所擁有的截割性能相對較差，不過，若是預裂深度值超過了截割深度值，則采用水射流對截割作業進行輔助施工過程中，截齒所擁有的截割性能相對較好[6]。上述數據都表明了若是預裂深度越大，則截割的阻力減小率也會相應增加。因此，在防范礦山機械摩擦磨損過程中，建議盡可能增加預裂深度，從而確保采煤機械中截齒部件的使用壽命顯著增加。

對不同預裂深度情況下截齒部件的磨損減少情況進行統計分析，所得結果如圖4所示。

從圖4(a)可看出，在各個預裂深度情況下，采用中心配置的方式時，截齒部件對應的法向磨損減少率值在三者之中都是最大的，并且要較其余兩種配置方式情況下要高出非常多。采用側置方式以及倒置方式情況下，對應的法向磨損減少率差異性相對小。不論是采用何種配置方式，在預裂深度不斷增加的情況下，截齒的法向磨損減少率均是不斷增加的，而采用中心配置情況下，其變化趨勢呈現出先急后緩的現象，造成這一問題多是因為在中心配置情況下，預裂位置是位于截齒的齒尖下方位置處，在預裂深度逐漸增加過程中，對于截齒部件受載實際影響也會逐漸減少[7]。所以，若是采用中心配置方式情況下，綜合各種因素的影響，預裂深度設計為10mm的情況下是最為適宜的，這樣不僅能夠達到減少截齒磨損的目的，同時也符合經濟性的原則。

從圖4(b)可看出，在各種配置情況下，截齒部件的側向磨損減少率都會在預裂深度不斷增加時而逐漸增加，相應的變化趨勢基本上和法向磨損減少率相似，不過，在兩個地方的差異性相對大。其一，在各個預裂深度情況下，采用前置方式情況下，截齒部件側向磨損減少率要較采用側置方式情況下高出跟多；其二，在預裂深度值達到了10 mm之后，采用前置方式情況下，截齒部件的側向磨損減少率要較采用中心方式情況下更高[8]。

圖4 不同預裂深度下煤巖對截齒法向與側向磨損減少率

因為通過水射流達到預裂效果時，預裂深度值和射流的沖擊力存在直接性練習，若是射流的沖擊力大，則對應的預裂深度也會較深。通過以上分析能夠得出，若是截齒采用側置方式或者前置方式情況下，能夠采取增加射流沖擊力的方法來有效增加截齒磨損減少率，但是，在采用中心配置情況下，在射流沖擊力增加情況下，截齒磨損減少率不會有太大的增加。

3 結語

礦山機械中采掘機械設備是最為重要的設備，而采掘設備中截齒是和煤巖直接接觸的部件，截齒的性能會對采掘效產生重要影響。不過，因為截割部件受到各種因素的影響，使得截齒會出現一定磨損問題，并且因為截齒作業的環境條件不同其磨損程度也會有所不同。截齒出現磨損問題，將導致煤炭開采效率顯著降低，同時也會導致截齒資源被大量浪費。本文作者采取增加射流沖擊力的方法來有效增加截齒磨損減少率，從而確保截齒使用壽命顯著增加，從而最大限度的增加開采效率，減輕截齒的摩擦磨損問題，有效節約截齒資源，確保企業取得良好的經濟效益。