故障模式影響法在采煤機截齒風險評價中的應用

張慧超

（同煤集團四臺礦機掘六隊，山西 大同 037001）

截齒是采煤機截割煤壁時與煤巖直接接觸的最終端，是整個采煤機中使用量最大、最容易損壞的零件之一。截齒一旦失效，需要進行更換，除了截齒自身的價值，停機更換截齒也會影響采煤生產，降低產量，造成更大的經濟損失。因此，要盡量避免出現截齒失效。

故障模式影響法（簡稱為FMEA）的研究對象是系統中的各個零部件，通過判斷零部件可能發生的故障類型、嚴重程度、發生頻率和發現難易度來判斷會對整個系統產生的影響大小（風險度大小）。因此，對采煤機截齒進行失效風險評價，并提出相應的改進對策，具有一定的意義。

1 截齒常見的失效形式分析

1.1 硬質合金頭松動

截齒大多是以優質合金結構鋼作為齒體，通過釬焊的方法，利用銅基釬料把硬質合金焊接到截齒齒頭。首先由于釬焊焊接工藝的問題，截齒釬焊焊縫的間隙大小對焊接質量具有決定性的作用。如果焊縫太小，焊料難以流入；如果焊縫過大，又容易出現虛焊假焊等現象。齒體和齒頭需要采用錐面配合進行焊接，前期機械加工中錐面一定會產生誤差，焊接中就不可避免地會出現夾焊、虛焊、焊接裂縫等問題。在截割過程中，由于地質結構復雜多樣，生產強度要求高，截割煤巖時會產生反復而且較大的沖擊，容易形成應力集中，最終導致截齒頭部硬質合金松動，甚至脫落。

1.2 硬質合金頭崩刃

由于煤礦井下地質結構復雜多變，綜采工作面不間斷作業，截齒始終處于一種連續疲勞的工作狀態。一旦遇到堅硬的巖石或礦料，拉應力和剪應力共同作用超過了硬質合金的疲勞強度極限時，就會發生碎裂。硬質合金頭崩刃的主要的原因有兩個：一是硬質合金本身材料的問題，由于合金是多種金屬合成的，其內部不可避免的會含有雜質，晶粒分布不均，容易產生裂紋；二是制造工藝的問題，由于硬質合金齒頭大都采用熱壓工藝，很容易產生密度分布不均、熱應力、冷卻裂紋等問題。

1.3 截齒的磨損

（1）磨粒磨損

磨粒磨損主要是在截割過程中，破碎的煤巖和煤矸石等比較堅硬鋒利的物質與截齒切削表面摩擦形成細微的切削。如果磨粒的切削角度恰好刺入或切割截齒，則會在截齒表面形成犁溝或者劃痕，在連續不斷的惡劣工況下，隨著時間的推移，截齒被磨粒反復擠壓、切割，之后會發生塑性變形，截齒內部密度也會隨之發生變化，齒面產生微小的裂紋，裂紋擴展，慢慢就會崩裂掉落，最終失效。

（2）熱疲勞磨損

除了磨粒磨損，截齒在工作過程中，由于摩擦會產生大量的熱，溫度能夠達到600～800℃。由于滾筒在截割過程中帶動截齒做往復回轉運動，截齒和煤巖的接觸是周期交變的，當截齒離開煤壁時，在冷卻噴霧的作用下，截齒會迅速降溫，這一過程會導致截齒硬度下降。隨著繼續使用，截齒溫度周期性交變，材料表層硬度進一步下降，截齒內部會出現塑性流動變形和密度錯位現象，導致截齒表層出現橫向細微裂紋，發展成大的裂紋，直至崩裂失效。

1.4 齒身彎曲

截齒在遇到一些特殊工況時，會產生很大的截割力致使截齒在滾筒上發生位置的轉移變化。另外，截齒本身雖然剛開始發生的是塑性變形，但隨著產煤過程的持續，塑性變形逐漸轉變為永久的彎曲變形，失去應有的作用。

1.5 齒身折斷

齒身折斷一般是由三方面原因造成的。一是由于截齒自身的原因，在制造時，熱壓的原因，不可避免的會產生殘余熱應力，在使用中就容易形成裂縫，最終折斷；二是工況復雜，有時會遇到堅硬的巖石或者雜質，瞬時載荷超過截齒的需用強度，從而造成折斷；三是采煤機司機的不當操作造成的，比如切割到頂板等情況。

通過實踐及大量的研究表明，截齒的失效形式與工況環境以及操作檢修有著極為密切的聯系。煤質較硬且矸石較多時，主要失效形式為硬質合金頭脫落和崩刃；煤質較為松軟時，截齒的主要失效形式為磨損；遇到特殊地質情況、操作不當或沒有按照規程檢修及保養時，就容易發生齒身彎曲、折斷等問題。

2 采煤機截齒失效風險性評價

2.1 FMEA分析方法

FMEA法的重點內容是從嚴酷度、發生概率、發現難易度分析，最終進行風險評定。

（1）嚴酷度劃分

嚴酷度是指故障類型發生后，對整個設備系統產生的影響與危害大小。具體參數如表1所示。

表1 采煤機截齒失效嚴酷度劃分等級表

（2）發生概率劃分

發生概率是指故障發生的可能性。取值可根據發生可能性的高低從表2中選擇。

表2 故障發生概率取值表

（3）發現難易程度劃分

發現難易程度是指故障模式出現時，能否及時發現和進行相應的操作。取值如表3所示。

表3 故障發現難易程度取值表

（4）風險性評價

對系統風險性的綜合判斷。這一評價是對嚴酷度、發生概率以及發現難易程度的綜合考慮。其計算方法如式（1）所示：

式中：

S-嚴酷度；

O-概率；

D-找到故障原因的難易程度。

2.2 四臺礦采煤機截齒故障風險性評價

根據FMEA的基本原理，結合四臺礦實際情況，對采煤機截齒故障風險性進行分析。分析主要是脫落、崩刃、磨損、折斷和彎曲等故障類型。通過與現場工人、技術人員、管理人員的溝通，對各個模式進行了評價，評價分析與結果均體現在表4中。

表4 四臺礦采煤機截齒故障風險性評價結果

從表4中可以看出，RPN結果最大的是合金頭松動，因此，在設備使用和維護過程中要特別注意這一故障模式，采取相應的措施。S類型中等級最高的是崩刃和折斷，在使用中必須避免這一故障的出現。

3 四臺礦提高截齒壽命的對策

通過理論分析和多年的現場實踐經驗，四臺礦制定了提高截齒使用壽命的對策，主要有以下幾個方面。

3.1 制造方面

（1）裝配精度要高

只有按技術要求將截齒裝配在齒座中，截齒才能在截割過程中實現自由轉動。雖然在其后的生產過程中無法避免磨損，但由于是均勻磨損，所以始終能夠保持刀齒的鋒利，滿足使用要求。

（2）釬焊工藝要好

齒身和齒頭通過釬焊工藝進行連接，焊接的工藝性就顯得非常重要。通過實驗表明，焊縫的大小直接決定釬焊的質量，一般來說焊縫在0.08～0.15之間，焊接出來的效果最好，截齒的壽命最長。

（3）推廣堆焊強化技術

由于齒頭和齒身在釬焊加工中的焊縫的存在，所以在實際使用中，容易產生硬質合金齒頭脫落、磨損等失效情況，為了減少該情況的發生，提出堆焊表面強化技術。堆焊表面強化技術就是在齒頭及齒頭與齒身的連接處，用耐磨焊絲進行堆焊，從而提高齒頭的耐磨性，夯實齒頭與齒身的連接性，最終全面提升截齒的綜合機械性能。

3.2 日常工作

（1）截齒的選擇

在使用截齒截割煤巖時，應根據煤巖的軟硬程度及夾雜的情況進行選型，不能一概而論。在截割過程中，如果遇到比較大的阻力，可以適當降速，提升切割力，防止電機過載。

（2）維護和保養

在使用中，要時刻注意截割頭的狀態，如果發出異響或者其他緊急情況應及時停機檢查。定期對刀齒進行檢查與保養，當硬質合金齒頭被磨去2mm以上時，應當及時更換。另外，如果發現丟齒或者折斷現象，也必須及時添補。

3.3 應用效果

采煤機截齒風險度計算方法為對策制定提供了理論依據，改變了以往通過經驗判斷的方法，提高所指定措施的科學性。四臺礦制定了采煤機截齒壽命提高措施后，截齒故障有了明顯減少。該理論僅是初步探討其應用性的好壞，還有很多不足之處需要完善，不過實踐證明這一方法是可行的。

4 結語

在煤礦生產中，采煤機截齒故障非常常見，但是在故障分析和對策制定方面多以經驗為主，缺少一定的理論分析。利用FMEA法，可以進行截齒失效風險度計算，為對策制定提供依據。同時，結合理論與現場實踐的措施，能夠更加有效提高截齒使用壽命。