采煤机滑靴磨损失效分析及检测系统优化研究

史 杰

（霍州煤电集团霍源通新产业投资有限公司，山西 霍州 031400）

1 引言

霍州煤电干河煤矿反馈其采煤机的导向滑靴经常由于磨损而失效。采煤机滑靴损坏维修和更换过程艰难，既耗时又耗费人力。因采煤机在井下条件恶劣的环境中工作，想要快速完成损坏的滑靴更换和维修极为困难[1]。研究分析采煤机滑靴的磨损机理，找到滑靴的失效问题，改善滑靴的使用寿命，是现在该矿需要首要解决的问题[2]。根据采煤机滑靴结构及运行的实际工况，分析滑靴的磨损原理，查看运行参数情况，利用机械设计理论以及应力应变电学知识，优化设计有效检测滑靴磨损的检测机构，并运用于工程实践，验证该检测机构的优化设计的实用性，从而解决矿井困扰多时的采煤机滑靴失效问题。

2 采煤机滑靴磨损失效机理

2.1 滑靴磨损分析

采煤机在运行中，滑靴与行走轮因销或者栓连接产生相对滑动的摩擦，如图1。矿井下采煤机工作环境差，滑靴与行走轮间不能够及时添加润滑油，两金属硬件在干摩擦下会产生高温高热，致使滑靴磨损严重。当细小煤岩块、泥土、煤灰等进入到滑靴与行走机构的连接间隙内，造成滑靴相对运动阻力迅速激增，滑靴磨损故障显著加剧[3]。根据该矿采煤工作面统计，当采煤机割煤1000m左右的时候，就必须修护或者更替采煤机滑靴。但是采煤面工作空间狭小，条件有限，很难在采煤面完成采煤机导向滑靴的安拆装过程，出现滑靴损坏无法及时维护，造成矿井采煤效率低下，给该矿井造成了巨大的生产效益损失。

图1 采煤机行走轮与滑靴的连接布置图

2.2 滑靴失效机理分析

表1所示为滑靴运行期间牵引力、负载力和载煤量的三个运行参数统计情况。该数据是从滑靴开始安装至运行过程中失效的现场采集数据。采煤机导向滑靴从工作正常到运行失稳的状态中，承受的负载作用力与载煤量有关，且牵引力越大，载煤量反而越小。造成载煤量降低的因素主要是煤矸石过多和滑靴摩擦力增大。根据数据分析表明，煤矸石含量过多，负载相应变大，但滑靴摩擦力也增加，故牵引作用力、承受负载作用力、摩擦力是滑靴因磨损失效表现出来的参数。

表1 采煤机滑靴工作期间运行参数5组数据统计表

采煤机在割煤的过程中，煤岩石、泥土、煤灰等容易入侵导向滑靴与行走结构的连接处，造成因干摩擦作用损坏。采煤机的自重，加上开采煤层会对滚筒有垂直方向的压力，侵入的煤矸石颗粒硬度过大，会在滑靴和行走轮间隙内造成触变应力增大，滑靴因摩擦带来槽状磨痕，滑鞋表面形成剪切、犁皱和犁削等现象。在上述压应力长久作用中，滑靴磨痕边缘侧就会发生裂纹现象。若煤矸石颗粒被重大的压力嵌入到滑靴表面耐磨层，就会使滑靴产生塑性变化。在采煤机继续运转下，滑靴表面因被挤压作用使得表面出现层状或鳞片状的剥落碎片，最终造成采煤机滑靴因磨损失效。

3 检测机构优化设计

3.1 检测机构

了解、确定采煤机的滑靴磨损情况和具体位置，可以通过检测机构来实现。检测机构的工作原理[4]：开启动力装置结构并施加载荷作用，利用数据收集传感器进行实时检测，主要获取上文提到的牵引力、负载力等信息，通过传输系统把信息呈现在控制器上，实现人与机交换，进而快速实现对滑靴维修或更换。检测机构的核心硬件主要是数据收集等结构件，控制器对收集的失效参数进行计算、分析和处理。参数采集结构主要是测力传感器和应力应变检测电路，通过电压信号变化进行转换而得到数据。

检测机构中测量摩擦力和加载力的仪器是测力传感器，通过检测电阻的电压变化达到测力的目的。铝合金和两个应力应变片构成了测力传感器。当滑靴的加载力和摩擦力等作用在铝合金上时，应力应变片发生变形，此时检测应力应变片上电阻电压变化值，经转换就可得到滑靴在铝合金上的作用力值。铝合金上水平方向和垂直方向均粘贴有应力应变片，该应力应变片在作用力下随铝合金一起发生伸缩变形。

不足之处是检测机构中的应力应变片阻值与发生形变的系数小，电阻值变化差值很微弱，在测量电压信号时，很难采集到变化值，因此为了准确地检测滑靴磨损情况，就必须测得合理有效的电信号，检测电路必须合理地优化设计。

3.2 检测电路

优化设计检测电路是为了实现微小变形也能检测到其电压信号[5]。设计检测电路采用单臂惠斯通电桥，而且是两组的四分之一的电桥，每组电桥具有一个应力应变片，来达到测量微小电压变化的精确值。

根据电学知识可知，检测电路中检测采煤机滑靴磨损的电压变化值可以表示为：

式中：

ΔU-检测电路电压变化值，V；

K-一根电线上的灵敏度系数；

U-电路中电阻上两端电压，V；

ε-应变片的应变值。

由公式可知，检测电路检测采煤机的滑靴磨损的电压ΔU与铝合金表明受到应力应变 是正比关系。将采集数据的传感器上的应力应变片分别接入到两个1/4单臂电桥检测电路中，两个电路电压变化值分别用ΔU1和ΔU2表示，则这两个的电压信号与铝合金表面的水平方向和垂直方向的应变值是成正比的。只要测量出两个单臂电桥电路中的电压信号ΔU1和ΔU2，便可知道滑靴受到的摩擦力和加载力情况，进而确定其磨损大小和位置，维护人员能够快速确定滑靴的维修维护。

4 工程实践

采煤机运行当中，煤矸石颗粒极易侵入滑靴与栓、销间的空隙当中，造成滑靴因磨损失效，滑靴因磨损表面会产生擦伤、划伤、犁沟和凹坑等破坏形式。滑靴磨损危害程度与煤矸石颗粒硬度、数量、颗粒大小以及本身表面的耐磨性、接触抵抗应力等因素有关，故可以采取以下措施降低采煤机滑靴磨损：

（1）根据检测机构确定容易造成滑靴受冲击载荷的位置，优化受冲击载荷的机械结构，改善该部的机械性能，添加辅助性的PID控制系统自动调高结构稳定性，消化部分滚筒的冲击载荷，从而为滑靴所受到的冲击载荷分压。

（2）采煤机滑靴工作环境恶劣，须采用高强度高耐磨性的优质合金钢材料，并运用先进的激光熔覆技术在基体的低碳合金钢表面堆焊碳钨耐磨合金粉末，来提高滑靴的综合力学性能，延长其使用寿命。把改进后的采煤机滑靴运用于该矿采煤机上，并使用优化后的检测机构对其实时检测和分析。

图2 检测机构对滑靴磨损的检测分析图

运用优化设计的检测机构对采煤机的滑靴磨损进行了检测，通过电压值变化采集了导轨的加载力和摩擦力。经过处理分析后发现加载力随摩擦系数增大呈波动形式在变化，而滑靴的摩擦力却随摩擦系数变大而增大。检测机构还能检测出滑靴表面的耐磨层完整度、曹状磨痕、滑靴边缘的裂纹等状况，如图2所示，表明优化设计后的检测机构性能更加优良，为维修采煤机滑靴机械的故障提供了便利。从而说明滑靴在采用改进措施后与检测机构的辅助作用下，能够提高该矿井的采煤效率。

5 结论

该矿由于采煤机的导向滑靴常常发生故障，导向滑靴在井下维修、更换困难，造成该矿井采煤滞后、效率低下等问题，本文对滑靴失效机理进行了分析，并优化设计了检测滑靴磨损的检测机构，主要得出以下结论：

（1）煤矸石等颗粒物质侵入到滑靴与栓、销连接的间隙内，干摩擦使得滑靴损坏。滚筒的垂直分力作用造成滑靴表面应变增大，滑靴表面发生剪切、犁皱、犁削、剥落碎片等现象。

（2）为了精准确定滑靴失效情况，检测结构采用带有应力应变片的采集传感器和四分之一的单臂惠斯通电桥电路，测量电压信号便可检测滑靴受到的摩擦力和加载力。

（3）把改善后的滑靴运用于该矿采煤工作面，在检测机构的辅助作用下，解决了矿井困扰的问题。