关于采煤机截齿失效的研究

【摘 要】采煤机截齿失效的形式主要有合金刀头的脱落、合金刀头崩刃、截齿的磨损、齿身折断等，防止截齿失效的改进措施有合理选择齿身材料、改进截齿齿体与齿头的复合形式、优化截齿的安装角度、正确使用截齿、加强摩擦学在截齿中的应用等。

【关键词】采煤机；截齿失效；原因；对策

1 截齿的失效形式

截齿在截割煤岩时，承受着较大的剪切应力、压应力和冲击载荷，并会和煤层中的硬质物接触发生剧烈撞击，随着截割的进行，截齿的表面温度升高，截齿表面的失效形式变的更加复杂。截齿的失效形式有以下几种：（1）合金刀头的脱落；（2）合金刀头崩刃；（3）截齿的磨损；（4）齿身折断等。其中，磨损失效占截齿失效的45%～50%。

1.1 合金刀头脱落

硬质合金刀头是截齿的重要组成部件，通过钎焊材料焊接于齿体端部，在工作中为主要受力部位。随着截齿工作的进行，磨损达到一定的程度后，由于钎焊焊缝或缺陷处产生应力集中等问题，会导致硬质合金刀头的脱落。当硬质合金刀头脱落，就可以认为截齿完全失效。

1.2 合金刀头的崩刃

截齿在工作过程中遇到煤层中的硬质物时，齿刃承受的压应力和剪切应力突然增大，应力值超过合金的强度极限时，齿刃就会发生崩刃现象。崩刃后齿刃钝化，截齿受到的阻力就会更大，磨损加剧，加速截齿的失效。

1.3 截齿的磨损

1.3.1 热疲劳磨损

截齿在截割煤岩时，承受高的间歇式的冲击载荷，为了分析其对截齿表层的破坏，可将冲击载荷分解成法向力和切向力。法向力和切向力通过接触点作用传递到截齿次表层，在这些力的作用下，截齿表面上较硬的微凸点将变形，反复挤压导致附近软表面产生塑性流动并在截齿亚表面层形成积累。同时截齿截割煤岩时，由于磨损热使刀头磨损表面产生600～800°的高温，而截齿截割煤岩是周期性的回转运动，故升温是交变的，当刀头接触煤岩时升温，

离开煤岩时降温，使截齿齿顶产生高温回火，其组织一般为回火索氏体和铁素体，其硬度下降50%，加速了截齿的磨损。由于截齿表层温度的不断变化，材料表层进一步软化，导致塑变区内出现波浪式塑性流动和位错密度增加，反复的弹塑变形，又使位错集中，继而在表层出现横向微裂纹。

1.3.2 磨粒磨损

截齿在工作过程中，磨粒（煤矸石等）与截齿表面间产生较大的压应力，带有锐利棱角并具有合适的迎角的磨粒能切削截齿表面形成显微切削；如果磨粒不够尖锐或刺入截齿表面角度不适当，则在截齿表面挤出犁沟，随着截齿工作时间的延长，磨粒反复对截齿表面推挤，产生严重的塑性变形流动，使得表面下层塑性发生相互作用，导致塑变区内位错密度增加，变形材料表面产生裂纹，裂纹扩展，截齿表面形成薄片状磨屑。而且煤层中存在腐蚀性介质与截齿表面发生化学反应而造成表面材料腐蚀，机械性能下降，并使表层金属与基体材料结合力降低，加快了截齿材料表层的磨损。

1.4 齿身弯曲、折断及截齿丢失

当截齿承受很大的外力时，导致截齿的结构尺寸、刚度、布置方式等方面发生变化，引起齿身弯曲。齿身弯曲多发生在径向布置（弯矩较大）的刀形齿上。齿身弯曲后，截齿受力状态改变，就不能很好地完成截割任务。

由于截齿齿身强度不足，截齿截割坚硬岩石或包裹体夹杂物时，载荷加大，超过截齿许用强度时就容易引起齿身折断。

另外，在实际使用过程中，截齿的丢失现象也是普遍存在的问题。

2 改进措施和方法

2.1 合理选择齿身材料

截齿在工作过程中，不仅受到较高的压应力、剪切应力和冲击载荷的作用，还会和煤层中的腐蚀介质发生复杂的化学反应，因此对材料的要求较高，既要有良好的耐磨性还要有优异的抗冲击性和耐腐蚀性。优质合金结构钢，如40CrNiMo、42CrMo、35CrMnsi等具有良好锻造性能，可以用作齿身材料；

2.2 改进截齿齿体与齿头的复合形式

传统的截齿采用钎焊工艺，存在齿体与齿头的硬度梯度较大（HRC30～70）和钎焊焊缝强度低等缺陷。采用镶铸工艺，刀头硬质合金与截齿体产生熔合层，解决了硬质合金与截齿体间的联接问题，大大提高了固接强度，而且铸钢往往具有二次硬化效应，在保持齿头高硬度的同时，基体具有较高冲击韧性，能够满足整体性能要求。

2.3 优化截齿的安装角度

截齿的安装角度对采煤机截割性能的优劣有着重要的影响，安装角一般为：冲击角、倾斜角和歪斜角。只有端盘截齿才有倾斜角和歪斜角，并且随着其自身而变化。冲击角在滚筒上是一定的，国内采煤机的冲击角一般为40～50°。刘送永研究不同的安装角度对滚筒截割性能的影响，得出随着截齿冲击角的增大，截齿的截割阻力将以指数形式减小；而随着截齿倾斜角、歪斜角的增大，截割阻力增大，磨损加剧的结论。姚宝恒等通过镐形截齿的截割试验，得出在截割深度一定时，增大安装角，可以减小截割阻力，但安装角不能过大。

2.4 合理地选择截齿的几何参数和排列方式。

截齿的几何参数对截齿的截割性能和寿命影响很大。几何参数选择直接影响截齿的截割阻力、轴向力大小。截齿排列方式对工作机构的截割状态有重要影响，对不同物理机械性质的煤岩，应选择不同的排列方式，设计不当，则截齿的可靠性将显著地降低。齿身寿命与煤层中坚硬成分的含量和作用载荷有很大关系，而载荷大小取决于截割参数，在高载荷的切削条件下，齿身寿命急剧下降，比其磨损寿命还要低。

2.5 正确使用截齿

每一种截齿，是满足一定的截割参数和特定煤岩要求的，如果把适用于较软煤岩的截齿用于截割较硬岩石，必然加剧截齿的破坏。超出设计截割参数使用截齿，也必然引起截齿过早失效，如果工作时牵引速度过大，使截割厚度超过截齿伸出长度，就会导致齿座触煤，整个截齿连同齿座都处于截割状态，将加剧全齿磨损，而且因载荷过大，易引起弯齿、断齿现象。镐形齿适用于层理、节理发达或含夹石的脆性煤岩，而刀形齿适用于截割坚韧以及层理和节理不发达的煤岩。同时在煤质软和夹矸少的地方，使用齿体硬度高些（如HRC52），Ak值相应低些的截齿，相反，则应考虑提高材料的塑性和韧性，稍微降低一些硬度（如HRC38～43）。

2.6 加强摩擦学在截齿中的应用

摩擦学主要研究物体表面间的摩擦、磨损和，涉及机械学、物理、化学、材料学和热力学等多种学科。对于薄、极薄煤层的开采过程，为了减少因煤岩混合体所造成的截齿过快失效，对采煤机截齿的参数设计或改进，不仅要孤立地从机械学角度，还要更多地加入摩擦学的设计应用。工作人员通过对摩擦、磨损理论的深入研究，可以利用摩擦学的理论，减少截齿材料的磨损，提高其耐磨性。

3 结束语

通过对截齿的失效分析，进行相应的对策探讨，是开展截齿可靠性研究的基础。只要解决截齿在设计、制造、选择和使用等方面存在的问题，就能够明显地提高截齿的可靠性，大大降低截齿损耗，进一步提高煤炭生产的效益，很好地适应高产高效矿井建设和发展的需要。

参考文献：

[1]曲娟，李淮.提高国产截齿综合机械性能的措施[J].矿山机械，2009（23）.