采煤機長螺桿斷裂原因分析及解決措施

盧劍波

（大同市焦煤礦有限責任公司， 山西 懷仁 038001）

引言

隨著綜采技術的迅猛發展，滾筒式電動牽引采煤機的應用越來越頻繁，成為了綜采工藝中的常用設備之一。在實際的工作過程中，采煤機的剪切滾筒承受著復雜的力。滾筒的切割反作用力有三個去向，分別是被左牽引箱，中間電控箱和右牽引箱消化。采煤機主體三部分的連接主要由6 組長螺桿組件和幾組短螺桿組成。最近，山西某礦井在作業過程中有一個長螺桿被打斷，由此可見采煤機的可靠性還有待改進。

1 長螺桿斷裂故障

長螺桿組件沿采煤剪切機主體的圓周方向進行安裝。每個長螺桿組件均包括一個長螺釘、液壓螺母、墊圈和螺母，具體組成結構見圖1。

圖1 長螺桿組件構成示意圖

通過對長螺桿的斷點位置進行探究，得知在液壓螺母和墊圈之間存在一個明顯的連接螺紋，這就是螺桿嘴脆弱的地方，極易產生斷裂。圖2 可以看見一小部分斷裂處的形態，這個斷裂的截面竟然一點都不粗糙。并且在液壓螺母和斷裂的螺桿部分掉入之前，一直都在正常運行，直至斷裂掉入刮板輸送機后才有了故障發生。因此，截斷長螺絲的一部分以進行質量檢查。損壞的樣本如圖3 所示。

圖2 長螺桿斷裂面局部圖

圖3 長螺桿斷裂截取樣本

2 斷裂原因

發生斷裂事故之后，產品質量變成了作業中重點關注的問題，需立刻進行強度檢查和材料測試分析來規避事故。

2.1 強度檢查

長螺桿的材料為40CrNiMoA，屈服極限σs=835 MPa，斷裂處的螺紋規格為M72×4，最大允許液壓螺母油壓為180 MPa，相應的拉力F=1 343 kN。長螺絲斷裂部分的最小直徑d=67.5 mm，該斷裂部分承受應力 σ=4F/ （πd2）=375.5 MPa； 螺 絲 的 安 全 系 數n=σs/σ=2.2。符合強度設計要求。

2.2 材料剛試檢驗

1）在檢測過程中需要使用光譜分析儀來檢測長螺桿材料所包含的一些化學成分。結果見表1。每種材料的組成都正常且符合要求。

表1 材料主要成分質量分數表 %

2）返回的長螺釘通過維氏硬度法進行測試，其中深度值為長螺釘與樣品表面之間的距離，最后檢測得到的硬度值見下頁表2，繪制出的硬度曲線見下頁圖4。

對圖表進行分析和探究，發現了一個有趣的現象，雖然長螺桿表現得硬度和芯體硬度不太一致，但測試出來得硬度值竟然相同，滿足圖紙的設計要求。

表2 硬度情況檢測表

圖4 硬度曲線圖

3）將提取出來的顯微樣本放大400 倍，檢測得到了理想的結構組織，該結構詳見圖5，這與材料的熱處理結構相符。

2.3 現場調研

由于長螺桿材料強度安全系數檢查和材料試驗檢查都是嚴格按照圖紙的設計要求來完成的，因此當究其根源，我們去煤礦進行了現場調查，通過對采煤機的各方面情況進行分析和研究，得出了以下幾點結論：

1）工作面遭遇不良故障時，脈石硬度為6，煤的硬度為3。當采煤機發生切割故障時，振動和沖擊負荷會異常增大，因此會給采煤機機體帶來比較強烈的振動。再加上應力集中所帶來的作用，使得長螺桿的底部會遭受到較大的應力作用，容易出現疲勞裂紋，這是長螺桿產生斷裂最重要的原因。

2）在礦業作業過程中，往往會要求產量和效率都要達到一個很高的水平，采煤過程中采煤機的牽引速度一旦超過一定的數值，就會變得比較危險，因為采煤機背負著很重的荷載，并且比正常值大得多，這也是長螺桿容易斷裂的重要原因之一。

3 改善措施

1）高頻振動容易產生一系列問題，比如在螺紋底部的應力集中區域很容易因為高頻振動而產生早期裂紋，于是可以考慮從長螺桿的熱處理過程入手，即在這一過程中經軋制后增加回火工來解決應力集中的問題。

圖5 芯部金相組織圖

2）由于工作面發生故障時，采煤機會產生的劇烈振動和沖擊，于是考慮在長螺桿的兩端端口處增加橡膠減震器，以改善采煤機的振動條件。

3）為達到生產高效率的目的，對礦山的不正常運行進行了培訓，對采煤機管理人員進行了培訓，并加強了設備維護和保養。采煤機機體內有6 個長螺釘。維護期間，礦山定期壓緊并預緊每根長螺釘，然后根據操作規格將其均勻按入，盡量使得長螺桿在均勻受力的情況下工作。

4 結語

針對上述提到的采煤機長螺桿常見的故障問題，首先從材料本身入手，然后根據現場實際情況進行分析。通過兩者相結合共同找出導致長螺桿斷裂的因素，分析發現工作面的地質條件很差，這對采煤機的振動情況影響很大，于是長螺桿的自身應力全部集中在螺紋底部，這種狀態下就容易產生疲勞裂紋，從而停止工作。針對故障原因來尋找解決途徑，改善應力集中的狀態和阻尼措施來延長螺釘的使用壽命。經過長期的地下試驗，發現該途徑大大提高了長螺桿的可靠性，節省了礦山成本，提高了采煤機的開工率。同時它也為開發高產高效采煤機方面提供了很多前置性的經驗，對于產品質量也有了很大程度的提升。