采煤機導向滑靴失效分析及優化改進研究

王奮雄，胡海洋

（1.西安重裝澄合煤礦機械有限公司，陜西渭南 715300；2.陜西澄合合陽煤炭開發有限公司，陜西渭南 715300）

0 引言

我國是煤炭生產大國，煤炭消耗一直占據著我國能源消耗榜的前列，對煤炭資源的需求量也在日益增加[1]。因此，煤礦企業應該提高煤炭資源的開采工作效率，對各類采煤機械采取正確的日常管理措施，確保開采效率不會受到設備故障的影響。其中，采煤機是煤礦物料生產效率的關鍵機械設備，通過切削齒直接與煤層進行接觸，使煤炭脫落。采煤機通過在工作面不斷的行走，在不同位置的煤層進行生產作業。導向滑靴是確保采煤機正常行走的機械部件，一是確保采煤機的行走齒輪與軌道齒輪正常的擬合；二是起到導向作用，確保采煤機在軌道上沿正確的方向運行。兩者的作用對于采煤機的正常作業非常關鍵[2]。但是由于受到載荷作用力，在長時間的工作狀態下導向滑靴容易發生部件表面的磨損、裂紋、斷裂等故障，導致采煤機無法正常工作甚至引發安全事故。如何防止導向滑靴產生故障失效是重要的研究內容[3]。

導向滑靴的失效形式較多并且帶來的危害也不盡相同。從現場工程實際情況進行分析，得出導向滑靴常見的故障失效形式及其對應的安全危害，為現場工程技術人員提出預防解決的措施方案，提高導向滑靴的安全使用可靠性。

1 導向滑靴的故障失效與危害

導向滑靴主要是通過鉸接與各主要的部件進行連接，形成了一種鉸聯結構，采煤機通過該連接形式傳遞自身的重量，同時采煤機的截割反作用力也將傳遞至導向滑靴。由于惡劣工作環境的限制，導向滑靴與軌道、行走輪之間的接觸為無潤滑狀態的摩擦接觸，在此過程中會產生大量熱量，從而改變材料的屬性，影響導向滑靴的使用壽命。通常導向滑靴的失效類型主要有側面裂紋、側壁斷裂、底鉤斷裂等，造成導向滑靴的嚴重磨損、不能正常工作。

1.1 導向槽的前、后平面磨損與危害

導向槽的磨損是導向滑靴失效的常見形式，由于導向滑靴受到扭轉作用力，會使得導向滑靴的導向槽在與齒軌進行接觸過程中不斷的產生摩擦作用，此時導向槽的前、后平面均會受到嚴重的磨損，影響行走輪的嚙合狀態（圖1）。

圖1 導向槽端面磨損

在工作載荷作用下，行走輪與導向滑靴之間的摩擦會加速損耗，當摩擦程度超過一定范圍后，就會損傷滑靴軸承的頂部蓋板內的安裝螺栓，無法正常進行拆卸。同時，側推力使得行走輪發生扭轉變形，在軸承的內部將出現磨損，使軸承與軸的間隙越來越大，從而失去軸承的功能。導向槽的前、后平面的磨損不僅將對機械內部造成故障，還會使導向槽的坡口面角度減小，失去與軌道之間的嚙合作用，嚴重時還會出現卡軌、頂軌、脫軌等安全隱患[4]。

1.2 導向槽的上、下平面磨損與危害

采煤機切割滾筒正常工作時，齒軌被托起，同時溜槽會被導向槽的下平面托起，接觸摩擦力將減小，導向槽下表面的磨損量較小，并非主要磨損面。但是當采煤工作面的地勢不平坦時，容易使齒軌水平面發生位移，在導向槽的上、下面留下在非正常位置工作時產生的磨損（圖2）。

圖2 導向槽上、下面磨損

導向槽上表面由于采煤機自身重量的因素，該表面的磨損最為嚴重，當導向槽上表面的磨損超過一定范圍后上表面的坡口將會減小。上表面波口減小到一定程度后，就會出現齒軌連接失效，使行走機構的工作負荷加大，形成動態沖擊載荷。另外，上表面坡口的減小還會使中心輪的位置產生偏差，加劇行走輪的磨損和變形。

導向槽上表面的磨損情況將使得采煤機的工作處于非正常狀態，滾筒在切割煤炭時就會發生振動，形成更多不必要的沖擊載荷，降低采煤效率，嚴重影響采煤機底座部件的使用壽命，甚至會導致行走輪的齒輪斷裂。

2 失效原因分析

2.1 制造工藝因素

導向滑靴主要是通過鑄造進行制作，容易在內部形成氣孔、縮松、夾渣等質量缺陷，該類缺陷可通過實驗室微觀設備觀察發現。在鑄造過程中的原料、溫度、程序是否合理等，將會導致導向滑靴制造過程存在問題[5]。

2.2 熱處理工藝因素

熱處理工藝的優劣，決定了導向滑靴在抗拉伸、抗沖擊方面的性能。如果材料內部出現了“鐵素體+珠光體”的殘余鑄態，采煤機在對煤炭進行切割時就會出現抗沖擊韌性較低的情況，從而導致導向滑靴發生斷裂。

2.3 焊接工藝因素

焊接質量受到焊接人員技術影響的因素更大，當焊接材料內部的融合組織為馬氏體時，焊接部位的韌性較低、脆性較大，不能承受沖擊載荷容易發生焊縫開裂。

2.4 脫碳因素

當導向滑靴發生脫碳現象后，各個零部件的表面強度將下降、耐磨性不足，從而在局部形成集中磨損現象，最終導致材料斷裂事故。

2.5 其他影響因素

銷排軌道的鋪設存在轉彎位置，當導向滑靴通過該處時會受到擠壓力，在導向鉤的底部形成應力集中現象，如果一線工人操作不當也會造成導向滑靴的斷裂事故。采煤機操作過程中液壓支架會推溜輸送機，該銜接工作不當時也會加大導向滑靴和銷排的擠壓作用，導致滑靴斷裂。

3 采煤機工況對導向滑靴的影響

3.1 開采角度的影響

當采煤機仰（俯）角β＞0°時為仰采、β＜0°時為俯采，工作面傾角為零時采煤機斜切俯采和仰采如圖3 所示。

圖3 工作面角度零時采煤機斜切時俯采和仰采

在工作面傾角不為零時，采煤機斜切工況俯采和仰采。在不同開采方式下，考慮和不考慮工作面傾角條件下，采煤機斜切進刀受力情況是有所不同的，導致其空間力學模型有所區別。盡管各自空間力學模型有區別，但是研究發現采煤機受力情況可以用相同的數學模型來描述。因此，本文以統一的形式給出了工作面傾角不為零且存在俯（仰）采條件下的采煤機斜切工況空間力學模型（圖4）。

圖4 工作面角度不為零時采煤機斜切時俯采和仰采

不同的開采角度對于導向滑靴的受力面有著不同的影響，會對結構不同位置的磨損造成影響，尤其是雙側結構的磨損情況肯定會不一致的。同時，當工作面的角度為零時，采煤機的俯采和仰采也會對導向滑靴的受力面發生變化，根據不同的俯仰傾角，導向滑靴的載荷方向也會隨之發生改變，對結構的磨損程度也會出現差異。制造廠商應當根據不同的開采角度對導向滑靴的結構做出一定的設計優化，以適應更多的惡劣工況條件。

煤礦企業也應當加強地質勘探工作，充分掌握煤礦的開采走向，提前選用合適的導向滑靴的類型，與制造廠商提前開展針對性的工作，延長導向滑靴的使用壽命。

3.2 開采振動的影響

考慮到模態分析對整體結構設計的重要性，對導向滑靴的銷排的前4 階固有頻率進行模態分析，利用有限元數值分析的方法，就可以得到圖5 所示的模態振型。

由圖5 可知，銷排第一階振型為繞z 軸（銷排長度方向）的彎曲變形，最大位移發生在長度方向最前端和最后端，為10.931 mm；第二階振型同樣也為繞z 軸彎曲變形，最大位移也發生在長度方向的最前端和最后端，為11.429 mm。4 個模態情況下的變形均不相同，這也是造成導向滑靴失效的原因。

圖5 導向滑靴銷排模態分析

由此可見，每一種模態所呈現出來的振動方向和大小都是不同的。對于導向滑靴來說，除了自身的制造工藝、安裝工藝等因素以外，外部激振載荷對于導向滑靴失效也有著關鍵的決定性作用，尤其是在共振頻率下，導向滑靴的結構更加容易發生破壞。因此，在設計導向滑靴安裝位置時，應當采取一定的隔振措施，或者在結構設計時就考慮到振動因素的破壞性、避開工作振動頻率。

此外，導向滑靴的振動對于焊接工藝造成了極大考驗，如果焊縫發生開裂，整體結構就容易被破壞，減少導向滑靴的使用壽命。

4 導向滑靴優化改進措施

4.1 增設耐磨層

導向滑靴導向槽的材料耐磨性能，一方面保證滑靴自身強度，另一方面確?；フ３叽?，滑靴磨損尺寸發生變化后會發生受力不均，發生局部應力集中。為了增加滑靴各平面的表面耐磨性能，可通過熔敷和鑲焊方式在表面增加耐磨層或耐磨條[6]。

4.2 增大坡口面尺寸

當導向滑靴潤滑程度不足時，其與齒軌之間的摩擦就會加劇，不斷減小坡口面角度就會發生齒軌之間的接觸碰撞情況。因此，在設計時應增加1.5 倍的安全系數，以延長導向滑靴在兩端坡口面的使用壽命。

4.3 控制導向槽平面尺寸

為保證導向槽與其他零部件的嚙合符合精度要求，必須將導向槽的平面尺寸控制在合理的范圍之內。一旦平面尺寸的長度過大，則容易造成齒輪卡塞、出現齒軌滑脫。

4.4 保持凹面尺寸在合理的設計區間

導向槽與齒軌之間容易發生直接接觸，從而產生卡頓的現象。控制好凹面尺寸的弧度對整體強度和零件之間的讓隙作用有著重要影響，整體強度和弧度呈反比，讓隙作用的效果會隨著弧度變小而下降，導致導向滑靴在運行過程中的頓挫現象。由于惡劣的煤礦工作環境，雜質和粉塵在導向滑靴上的附著，對凹凸表面的機械配合性能造成影響，使得整體結構在水平、垂直方向呈現出不對稱性。

5 結語

采煤機導向滑靴是確保煤炭開采生產效率的關鍵機械部件，在礦井惡劣的環境中經常出現故障失效的情況，影響煤炭開采的安全穩定性。在此背景下，對導向滑靴常見的失效形式進行分析，并提出4 種優化改進措施方案，以提高導向滑靴在工作過程中的穩定性和使用壽命。