采煤机和掘进机的截齿失效原因及改进措施

林杭

摘 要：在煤矿生产过程中，采煤机和掘进机使用的截齿容易出现失效问题，严重影响煤矿生产效率。所以，本文分析了截齿失效的原因，以确保煤矿生产井然有序。要想合理完善截齿，人们不仅需要从采煤机与掘进机的设计、工艺和实际操作方面提出有效的措施，更要具体分析截齿的各类失效形式，从而对症下药，延长其使用寿命。

关键词：采煤机;掘进机;截齿失效;改进措施

中图分类号：TD421.6文献标识码：A文章编号：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

截齿是煤矿采煤机和巷道掘进机经常使用的刀具，随着煤炭行业的发展，二者的性能要求越来越高，而截齿本身质量的优劣对采煤机和掘进机的生产效率与企业生产成本有重要影响。当前，为了进一步满足煤炭开采需求，截齿生产企业必须确保截齿质量，防止在煤矿生产过程中出现截齿失效。截齿本身对材料有较高的要求，要想确保截齿的有效性，就需要在提升截齿的强度、硬度、耐磨性、弯曲强度和耐腐蚀性上下功夫。因此，本文综合讨论了如何延长截齿使用寿命与提升截齿生产效率，并结合相关生产制造工艺，提出改进措施，以期促进截齿的有效应用。

1 截齿的工作原理

采煤机和掘进机是煤矿开采的核心设备，二者都需要借助截齿来进行工作。其中，采煤机必须借助安装在旋转滚筒上的截齿来进行煤层切割与开采，尤其是在截割煤矿石的过程中，截齿承受的周期性压应力、剪应力及冲击载荷是非常大的，因此其就有可能出现失效[1]。一般来说，齿体会在生产过程中出现磨损、变形、断裂以及齿头的硬质合金破碎与脱落的情况。在生产过程中，截齿的几何形状、齿尖角度等都会影响截齿的使用寿命，人们要明确周遭装夹情况和采煤条件，但是主要影响因素在于截齿材料本身。下面将针对截齿失效形式进行具体分析。

2 截齿失效原因

2.1 磨损与断裂

在截割煤层的过程中，截齿会与煤层产生剧烈的摩擦，容易出现磨损。一般来说，根据截齿的应力规律，受力点更多地分布在截齿的头部，这些地方的磨损最为显著，如果截齿裤体产生磨损，就会导致失效。截齿自身的磨损与断裂问题是导致截齿失效的重要原因。如果截齿裤体产生较大的磨损，就会导致截齿头部的硬质合金暴露，截齿工作能力因此丧失。

有时，虽然截齿磨损较少，但是仍然会出现截齿断裂的情况。主要原因是在煤矿石截割过程中，过大的冲击力导致刀头始终处在高压应力状态，因此如果煤矿石中有较为坚硬的煤矸石，在齿刃与煤矿石接触的过程中，若出现剪应力超过合金强度极限的情况，就会发生截齿断裂，这主要由截齿材料来决定。这种缺陷可以看作是裂纹源，因为应力作用让裂纹源得到拓展，从而发生断裂。所以，选用截齿材料时，要确保其强度与韧性，避免出现失效情况[2]。

2.2 硬质合金齿头的质量

在煤矿石截割的过程中，矿石中较为坚硬的矿料会使得刀头始终处于高压应力状态，这样就会导致截齿刃部也始终处于高压应力状态，如果其与煤矿石之间存在接触不良的情况，就会因为过高的剪应力而产生拉应力，拉应力同样会导致其在超过合金强度极限后出现刀头断裂。此外，在煤矿生产过程中，截齿也会受到较大的磨损，导致齿尖原本的硬质合金出现脱落，这在早期或者后期都很容易发生。早期脱落的危害更大，早期脱落会导致截齿在很短的工作时间内就出现报废，因为硬质合金刀头的掉落会使得截齿失去效用。经过实践分析，一般來说，硬质合金的脱落与齿头的钎焊质量有着密不可分的关系，焊接处不能有夹砂或者微裂纹，否则就有可能导致焊缝抗剪强度不足。如果焊缝间隙的大小安排不合理，在钎焊过程中偷工减料，也会形成虚焊，导致硬质合金头松动，甚至后期还会产生脱落。

截齿裤体材料的硬度与耐磨性也会影响硬质合金刀头的工作，如果其硬度与耐磨性不能够满足实际生产需求，就会导致包持力不够，最终发生硬质合金脱落。所以，要加固截齿的各个部件，进一步提升钎焊质量，保证硬质合金在生产过程中不会出现脱落。

3 截齿生产工艺

3.1 轧制锻造成型

首先，在模锻锻造的基础上对轧制的棒料进行加工，将其制成毛坯料，然后通过锻造与机械加工使其形成截齿裤体，之后对截齿头部的硬质合金进行钎焊和热处理。一般来说，热处理主要分为两种，如果截齿材料本身的淬透性比较高，就会在硬质合金钎焊时运用余热来进行淬火或者强制空冷，这是第一种热处理方式。而第二种热处理方式是先对钎焊硬质合金进行重新加热，待其达到一定温度时，再对其进行淬火与强制空冷，此时经过热处理的部件在加热时就会受到钎焊焊缝金属的限制，需要注意的是，加热温度不能过高，否则可能会影响焊缝质量。

3.2 镶铸

截齿毛坯可以通过铸造或者镶铸来进行生产。一般来说，在镶铸工序中，首先要对齿体与硬质合金进行一次复合铸造，使其成型，再通过机械加工与热处理的方式来实现镶铸。这种方法虽然能够进一步提升部件质量，但是铸造工艺要求较高，一般来说，只有大功率的综采机截齿才会应用镶铸方法进行截齿生产。就目前的机械加工应用趋势来看，许多生产商更偏向于通过锻造成型配合机械加工的方式来完成截齿生产。

4 改善方法

4.1 材料选择

截齿刀头的应用需要考虑煤矿石的硬度，人们要按照实际生产情况来选择相对应的硬质合金刀头。若煤矿石硬度较小，截齿的合金刀头牌号可以选择以下两种，分别是YG11和YG13[3]。倘若煤矿石的硬度较高，为了确保硬质合金刀头的有效性，人们需要选用含有较多Co的合金刀头，这种刀头一般具有良好的耐磨性，例如，YG25就是很好的选择。此外，根据具体生产情况，工作人员可以选用硬度较高的复合硬质合金材料。优质合金钢在截齿齿体中应用较为普遍，这一类材料具有优秀的抗冲击能力和很高的疲劳极限，但也存在回火脆性缺陷，倘若生产过程频频遇到高温，就会影响截齿齿体质量。目前，优质合金钢有35CrMnSi、42CrMo等，相对而言，35CrMnSi使用更加广泛，但是42CrMo综合性能更好。不同截齿的化学成分会有一定差别，如表1所示。

4.2 工藝改进

截齿刀头与齿体之间的连接方式对截齿质量有较为显著的影响，虽然传统的钎焊方式已经能够保证截齿硬度，但是操作工艺单一，会在强度上造成不良影响。为了解决这一问题，人们就会采用热处理的方式来保证钎焊过后焊缝具备相当大的强度[4]。此外，可通过激光熔覆、堆焊和镶焊合金的技术来对截齿进行保护，这些技术能够延长截齿寿命，研究发现，运用技术保护的截齿寿命要比没有经过技术保护的截齿寿命长20%以上。经过工艺改进，截齿物理性能有了新的突破，如表2所示。

4.3 优化工作方式

对于截齿的选择，首先考虑的是煤矿石的硬度，但是同样要注意周遭的工作环境，因为煤矿地质情况往往较为复杂，人们要根据不同煤层状态，合理调整截割速度，进一步保护截齿，防止截齿在工作过程中出现失效。工作人员要尽可能地防止截齿与截割下来的煤矿石接触，这样容易使得齿体因为自由活动受限而出现偏磨，长此以往会造成合金刀头掉落。此外，要及时更换已经失效的截齿，为采煤安全提供基本保证，只要刀头被磨去1.5 mm以上，就要注意更换，确保截齿与煤矿石的接触面积不大于1 cm2，从而进一步延长截齿工作寿命，确保采煤机和掘进机不会出现额外负担[5]。

5 结语

国内外对煤矿开采的研究都引起了广泛的关注，因为能源本身就关系人类的未来发展，所以人们针对煤层的机械性与物理性等内容展开了研究。目前，有关截齿失效的研究可谓多种多样，从截齿的设计原理开始，到制造工艺，再到实际操作，寻找截齿失效的原因，并从其生产设计到工作环境，提出有效的解决办法，进一步提升煤炭企业的截齿使用效率。目前，截齿失效情况已经得到很大的改善，但是仍然不能完全避免，今后仍然需要继续努力，提升截齿工作效率，延长使用寿命。

参考文献：

[1]孙汝继，王水生，王海舰.掘进机截齿磨损程度分析及识别方法[J].工矿自动化，2016（12）：68-71.

[2]万欣娣，罗娜.采煤机用截齿失效分析及提高其性能的新技术研究[J].铸造技术，2013（11）：1503-1505.

[3]程巨强.采煤机截齿的选材与制造工艺[J].凿岩机械气动工具，2013（1）：25-30.

[4]尚慧岭.采煤机滚筒截齿失效工况的影响分析及对策[J].煤炭科学技术，2012（8）：75-77.

[5]康晓敏，张平，李贵轩.采煤机截齿失效研究与实践[J].煤矿机械，2002（9）：32-33.