采煤機和掘進機的截齒失效原因及改進措施

林杭

摘 要：在煤礦生產過程中，采煤機和掘進機使用的截齒容易出現失效問題，嚴重影響煤礦生產效率。所以，本文分析了截齒失效的原因，以確保煤礦生產井然有序。要想合理完善截齒，人們不僅需要從采煤機與掘進機的設計、工藝和實際操作方面提出有效的措施，更要具體分析截齒的各類失效形式，從而對癥下藥，延長其使用壽命。

關鍵詞：采煤機;掘進機;截齒失效;改進措施

中圖分類號：TD421.6文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）35-0074-03

Abstract： In the production process of coal mines， the picks used in coal mining machines and roadheaders are prone to failure， which seriously affects coal mine production efficiency. Therefore， this paper analyzed the reasons for the failure of the picks to ensure the orderly production of coal mines. In order to improve the picks reasonably， people not only need to propose effective measures from the design， technology and actual operation of the shearer and roadheader， but also specifically analyze the various failure modes of the picks， so as to prescribe the right medicine and extend their service life.

Keywords： shearer;roadheader;pick failure;improvement measures

截齒是煤礦采煤機和巷道掘進機經常使用的刀具，隨著煤炭行業的發展，二者的性能要求越來越高，而截齒本身質量的優劣對采煤機和掘進機的生產效率與企業生產成本有重要影響。當前，為了進一步滿足煤炭開采需求，截齒生產企業必須確保截齒質量，防止在煤礦生產過程中出現截齒失效。截齒本身對材料有較高的要求，要想確保截齒的有效性，就需要在提升截齒的強度、硬度、耐磨性、彎曲強度和耐腐蝕性上下功夫。因此，本文綜合討論了如何延長截齒使用壽命與提升截齒生產效率，并結合相關生產制造工藝，提出改進措施，以期促進截齒的有效應用。

1 截齒的工作原理

采煤機和掘進機是煤礦開采的核心設備，二者都需要借助截齒來進行工作。其中，采煤機必須借助安裝在旋轉滾筒上的截齒來進行煤層切割與開采，尤其是在截割煤礦石的過程中，截齒承受的周期性壓應力、剪應力及沖擊載荷是非常大的，因此其就有可能出現失效[1]。一般來說，齒體會在生產過程中出現磨損、變形、斷裂以及齒頭的硬質合金破碎與脫落的情況。在生產過程中，截齒的幾何形狀、齒尖角度等都會影響截齒的使用壽命，人們要明確周遭裝夾情況和采煤條件，但是主要影響因素在于截齒材料本身。下面將針對截齒失效形式進行具體分析。

2 截齒失效原因

2.1 磨損與斷裂

在截割煤層的過程中，截齒會與煤層產生劇烈的摩擦，容易出現磨損。一般來說，根據截齒的應力規律，受力點更多地分布在截齒的頭部，這些地方的磨損最為顯著，如果截齒褲體產生磨損，就會導致失效。截齒自身的磨損與斷裂問題是導致截齒失效的重要原因。如果截齒褲體產生較大的磨損，就會導致截齒頭部的硬質合金暴露，截齒工作能力因此喪失。

有時，雖然截齒磨損較少，但是仍然會出現截齒斷裂的情況。主要原因是在煤礦石截割過程中，過大的沖擊力導致刀頭始終處在高壓應力狀態，因此如果煤礦石中有較為堅硬的煤矸石，在齒刃與煤礦石接觸的過程中，若出現剪應力超過合金強度極限的情況，就會發生截齒斷裂，這主要由截齒材料來決定。這種缺陷可以看作是裂紋源，因為應力作用讓裂紋源得到拓展，從而發生斷裂。所以，選用截齒材料時，要確保其強度與韌性，避免出現失效情況[2]。

2.2 硬質合金齒頭的質量

在煤礦石截割的過程中，礦石中較為堅硬的礦料會使得刀頭始終處于高壓應力狀態，這樣就會導致截齒刃部也始終處于高壓應力狀態，如果其與煤礦石之間存在接觸不良的情況，就會因為過高的剪應力而產生拉應力，拉應力同樣會導致其在超過合金強度極限后出現刀頭斷裂。此外，在煤礦生產過程中，截齒也會受到較大的磨損，導致齒尖原本的硬質合金出現脫落，這在早期或者后期都很容易發生。早期脫落的危害更大，早期脫落會導致截齒在很短的工作時間內就出現報廢，因為硬質合金刀頭的掉落會使得截齒失去效用。經過實踐分析，一般來說，硬質合金的脫落與齒頭的釬焊質量有著密不可分的關系，焊接處不能有夾砂或者微裂紋，否則就有可能導致焊縫抗剪強度不足。如果焊縫間隙的大小安排不合理，在釬焊過程中偷工減料，也會形成虛焊，導致硬質合金頭松動，甚至后期還會產生脫落。

截齒褲體材料的硬度與耐磨性也會影響硬質合金刀頭的工作，如果其硬度與耐磨性不能夠滿足實際生產需求，就會導致包持力不夠，最終發生硬質合金脫落。所以，要加固截齒的各個部件，進一步提升釬焊質量，保證硬質合金在生產過程中不會出現脫落。

3 截齒生產工藝

3.1 軋制鍛造成型

首先，在模鍛鍛造的基礎上對軋制的棒料進行加工，將其制成毛坯料，然后通過鍛造與機械加工使其形成截齒褲體，之后對截齒頭部的硬質合金進行釬焊和熱處理。一般來說，熱處理主要分為兩種，如果截齒材料本身的淬透性比較高，就會在硬質合金釬焊時運用余熱來進行淬火或者強制空冷，這是第一種熱處理方式。而第二種熱處理方式是先對釬焊硬質合金進行重新加熱，待其達到一定溫度時，再對其進行淬火與強制空冷，此時經過熱處理的部件在加熱時就會受到釬焊焊縫金屬的限制，需要注意的是，加熱溫度不能過高，否則可能會影響焊縫質量。

3.2 鑲鑄

截齒毛坯可以通過鑄造或者鑲鑄來進行生產。一般來說，在鑲鑄工序中，首先要對齒體與硬質合金進行一次復合鑄造，使其成型，再通過機械加工與熱處理的方式來實現鑲鑄。這種方法雖然能夠進一步提升部件質量，但是鑄造工藝要求較高，一般來說，只有大功率的綜采機截齒才會應用鑲鑄方法進行截齒生產。就目前的機械加工應用趨勢來看，許多生產商更偏向于通過鍛造成型配合機械加工的方式來完成截齒生產。

4 改善方法

4.1 材料選擇

截齒刀頭的應用需要考慮煤礦石的硬度，人們要按照實際生產情況來選擇相對應的硬質合金刀頭。若煤礦石硬度較小，截齒的合金刀頭牌號可以選擇以下兩種，分別是YG11和YG13[3]。倘若煤礦石的硬度較高，為了確保硬質合金刀頭的有效性，人們需要選用含有較多Co的合金刀頭，這種刀頭一般具有良好的耐磨性，例如，YG25就是很好的選擇。此外，根據具體生產情況，工作人員可以選用硬度較高的復合硬質合金材料。優質合金鋼在截齒齒體中應用較為普遍，這一類材料具有優秀的抗沖擊能力和很高的疲勞極限，但也存在回火脆性缺陷，倘若生產過程頻頻遇到高溫，就會影響截齒齒體質量。目前，優質合金鋼有35CrMnSi、42CrMo等，相對而言，35CrMnSi使用更加廣泛，但是42CrMo綜合性能更好。不同截齒的化學成分會有一定差別，如表1所示。

4.2 工藝改進

截齒刀頭與齒體之間的連接方式對截齒質量有較為顯著的影響，雖然傳統的釬焊方式已經能夠保證截齒硬度，但是操作工藝單一，會在強度上造成不良影響。為了解決這一問題，人們就會采用熱處理的方式來保證釬焊過后焊縫具備相當大的強度[4]。此外，可通過激光熔覆、堆焊和鑲焊合金的技術來對截齒進行保護，這些技術能夠延長截齒壽命，研究發現，運用技術保護的截齒壽命要比沒有經過技術保護的截齒壽命長20%以上。經過工藝改進，截齒物理性能有了新的突破，如表2所示。

4.3 優化工作方式

對于截齒的選擇，首先考慮的是煤礦石的硬度，但是同樣要注意周遭的工作環境，因為煤礦地質情況往往較為復雜，人們要根據不同煤層狀態，合理調整截割速度，進一步保護截齒，防止截齒在工作過程中出現失效。工作人員要盡可能地防止截齒與截割下來的煤礦石接觸，這樣容易使得齒體因為自由活動受限而出現偏磨，長此以往會造成合金刀頭掉落。此外，要及時更換已經失效的截齒，為采煤安全提供基本保證，只要刀頭被磨去1.5 mm以上，就要注意更換，確保截齒與煤礦石的接觸面積不大于1 cm2，從而進一步延長截齒工作壽命，確保采煤機和掘進機不會出現額外負擔[5]。

5 結語

國內外對煤礦開采的研究都引起了廣泛的關注，因為能源本身就關系人類的未來發展，所以人們針對煤層的機械性與物理性等內容展開了研究。目前，有關截齒失效的研究可謂多種多樣，從截齒的設計原理開始，到制造工藝，再到實際操作，尋找截齒失效的原因，并從其生產設計到工作環境，提出有效的解決辦法，進一步提升煤炭企業的截齒使用效率。目前，截齒失效情況已經得到很大的改善，但是仍然不能完全避免，今后仍然需要繼續努力，提升截齒工作效率，延長使用壽命。

參考文獻：

[1]孫汝繼，王水生，王海艦.掘進機截齒磨損程度分析及識別方法[J].工礦自動化，2016（12）：68-71.

[2]萬欣娣，羅娜.采煤機用截齒失效分析及提高其性能的新技術研究[J].鑄造技術，2013（11）：1503-1505.

[3]程巨強.采煤機截齒的選材與制造工藝[J].鑿巖機械氣動工具，2013（1）：25-30.

[4]尚慧嶺.采煤機滾筒截齒失效工況的影響分析及對策[J].煤炭科學技術，2012（8）：75-77.

[5]康曉敏，張平，李貴軒.采煤機截齒失效研究與實踐[J].煤礦機械，2002（9）：32-33.