采煤機和掘進機的截齒失效原因及改進措施探討

鄧 凱

（山西焦煤西山機電廠， 山西 太原 030000）

0 引言

截齒質量對采煤機和掘進機工作效率具有重要影響，直接影響企業經濟效益。為避免在生產工作時出現截齒失效問題，需要通過多種方式提升截齒強度和耐用性，從而更好開展工作。

1 采煤機和掘進機截齒失效原因

1.1 磨損與斷裂

在采煤機和掘進機進行工作的時候，造成截齒失效的主要原因就是磨損，在采煤機或掘進機對煤層或土層進行切割開采的時候，機器上的截齒會與礦石不斷摩擦，截齒在這個階段中承受了巨大的周期性應力，截齒上承載的負荷也非常巨大，從而導致采煤機和掘進機的截齒發生磨損甚至斷裂的情況。通常因為采掘機和掘進機的工作原理和截齒的受力規律，導致截齒的頭部磨損較為嚴重，但有的時候因為磨損較重，會導致截齒的褲體部分出現磨損，褲體磨損就會導致截齒直接斷裂失效。

有的時候即便磨損不是很嚴重，仍然出現斷裂導致截齒失效的情況，這主要是因為在對礦石截割的過程中，在遇到質地過于堅硬的石料礦石等物體時，短時間的接觸就會給截齒施加一個非常大的沖擊力，會導致截齒受到高壓應力的作用，這直接超過了截齒合金強度極限，從而導致斷裂失效。另外，有些使用時間過長的截齒會因為長時間受力導致其表面或內部出現裂紋，這些裂紋在新的力的作用下會不斷擴大直至斷裂，從而出現截齒斷裂失效的情況[1]。

另外，截齒在對煤礦巖石進行截割時，因為長時間的快速摩擦，會導致截齒表面的溫度出現大幅度的升高，溫度甚至會達到600～800 ℃，再加上截齒是固定在滾筒上不斷進行回轉的，就會導致已經升到較高溫度的截齒又不斷降溫，溫度不斷交替就會在截齒的刀頭上出現回火現象，高溫回火會直接導致刀頭的硬度降低，有研究表明其硬度下降能達到50%以上，硬度的大幅度降低就會加重刀頭的磨損，溫度的升高還會導致截齒表面的材料出現軟化現象，隨著截齒不斷受力，就會導致截齒在高溫下逐漸發生塑像形變，在冷卻后就會出現裂縫，隨著截齒不斷使用，裂縫就會沿著裂縫的方向不斷加深，直到有裂縫的截齒無法再次承受高壓應力，直接發生斷裂或表面材料大量脫卸，從而導致截齒失效的問題發生。

1.2 齒頭質量不足

采煤機與掘進機的截齒通常使用硬質合金齒頭，但硬質合金齒頭并非堅不可摧，在開展煤礦石截割工作時，由于礦石中會含有很多雜質，這些雜質多為質地堅硬的其他石頭或礦物，在截齒與堅硬物體接觸時就受到一個高壓應力作用。由于高壓應力會覆蓋刀頭和截齒刃，一旦出現截齒與礦物接觸不嚴密情況，就會導致截齒刃離開高壓應力狀態，但此時刀頭仍處于高壓應力狀態，刀頭和截齒刃之間就會產生非常高的剪應力，剪應力會轉化為對二者之間的拉應力，拉應力在超過硬質合金齒頭的合金強度極限后，會造成刀頭斷裂，最終導致截齒失效。

另外，因為在生產過程中，截齒發生磨損的情況非常常見，一般情況下磨損都能應付，但有的時候磨損會導致截齒尖的硬質合金脫落。截齒尖的硬質合金脫落問題通常出現在截齒安裝后的早期和后期，早期出現脫落會導致這個硬質合金刀頭只經歷很短的工作時間就報廢，直接導致截齒失效的情況，只能更換。后期出現脫落問題相對來說危害小一些，主要是后期本身臨近刀頭更換的時間，工作人員已經有所準備，不會對工程進度產生較大的影響。

影響齒頭質量的因素還有很多，例如焊接工藝，根據調查，在實際工作中，齒頭的釬焊質量對硬質合金脫落導致截齒失效問題發生的概率有著直接影響。據分析，通常齒頭最脆弱的地方就是焊接部位，這個位置在進行焊接的時候就需要嚴格確保質量，不能在接縫處存在夾砂或裂紋，如果存在夾砂或裂紋的情況，就會導致焊接部位無法承受巨大的剪應力導致斷裂或齒頭脫落的情況。此外，截齒褲體的材料選擇方面也非常值得注意，前文提到截齒褲體發生斷裂的問題，這就需要截齒褲體的材料選擇上滿足硬度和耐磨度兩方面的要求。如果硬度和耐磨度不達標，就會在生產中導致保持力不夠，會導致硬質合金脫落，自身斷裂等情況，直接使截齒失效[2]。

2 采煤機和掘進機截齒失效問題改進措施

2.1 選擇更堅固的材料

根據上文對于采煤機和掘進機截齒失效問題的原因分析，不難看出，截齒失效問題的主要原因就是截齒的材料在一些情況下無法承受住過大的剪應力和拉應力，從而導致斷裂，此外還有截齒的材料在耐磨度上還不足以滿足工作需求，導致在一段時間使用后出現磨損，也會進一步加大發生斷裂問題的概率。

所以核心問題就在于截齒材料的選擇上，截齒的材料選擇必須要滿足足夠的強度和耐磨度，確保不會出現磨損或斷裂的情況，但施工單位的經費也不是無限的，所以就需要根據開采挖掘工作的實際情況選擇合適的刀頭，實現滿足需求的同時降低成本的目的。所以在開展工作前，需要對采礦地點的礦物或挖掘現場的土質進行分析，分析其中的礦石硬度，如果礦石硬度較小，可以選擇硬度小一些的合金刀頭型號，通常YG11 和YG13 兩種合金刀頭就可以滿足較小硬度的礦石開采需求。在礦石硬度較大的時候，就需要采用硬度較高的合金刀頭，通常這類硬度高的刀頭在制造時為了確保有效性，會在其中添加Co 等元素，有效增加其硬度。所以在對硬度較高的礦石進行開采工作的時候，可以選用YG25 刀頭，這種刀頭在硬度滿足需要的同時還具備較高的耐磨性，可以很好地滿足生產需要。

除開硬質合金刀頭外，有些時候優質合金鋼材料制成的刀頭也是很好的選擇，工作人員可以根據工程現場的實際情況對刀頭進行選擇，優質合金鋼材質是一種復合硬質合金材料，優質合金鋼目前也被大規模用于截齒齒體的制造上，具備良好的硬度和抗沖擊能力，另外優質合金鋼的疲勞極限也很高，能夠有效提升刀頭的使用壽命。但優質合金鋼材料存在一個缺陷，就是其回火脆性較高，在溫度升高下降的過程中就會出現變脆的問題，所以經常出現高溫的采掘工作中，優質合金鋼刀頭就不是一個很好的選擇，在這種情況下刀頭會更容易出現斷裂的情況。

目前我國主要使用的優質合金鋼刀頭有35CrMnSi、42CrMo 等型號，其中35CrMnSi 的適用范圍會更加廣泛，42CrMo 刀頭綜合性能更加優秀，這就需要工作人員對現場的實際情況進行考察分析，最終確定具體采用什么型號的刀頭。此外由于在采掘工作中地質情況可能隨時發生變化，就需要工作人員隨著工程開展對截齒刀頭的狀態和前方的地質情況進行評估，隨時更換最合適的刀頭，從而大幅度降低發生截齒失效的概率，確保工程能夠順利開展[3]。

2.2 改進工藝

要想對采煤機和掘進機截齒失效問題進行改進，除開對截齒的刀頭材料做出合理選擇，還需要從截齒的各項工藝入手，不斷改進工藝，使得截齒的質量更高，從而滿足工程需求。

截齒是由刀頭和齒體連接在一起組成的，所以連接的地方也是截齒的弱點，很容易從連接處發生斷裂導致截齒失效，所以在對采煤機和掘進機截齒失效問題進行改進的首要工作就是改進截齒刀頭和齒體連接工藝，在以往的生產中，人們主要采用釬焊的方式對齒體和刀頭進行連接，雖然釬焊的方式已經具備一定強度，但還不能確保截齒具備足夠的硬度，另外，釬焊技術不足，操作工藝過于單一都會導致釬焊連接的截齒存在強度上的不足，無法確保截齒成品的強度。因為這些原因，在改進截齒的連接工藝時就可以加上熱處理的方式對釬焊后的截齒加強強度，熱處理工藝能夠有效提升截齒釬焊的強度，有效降低截齒在實際工作中出現斷裂的概率。熱處理工作有兩種主要處理方式，要對材料進行充分考察后選擇使用，如果材料淬透性較好，就可以采用第一種熱處理方式，通過在硬質合金釬焊的時候，趁材料尚未冷卻進行淬火，能夠有效提升其強度。如果材料的淬透性較低，就可以采取第二種方式，對釬焊完成后的硬質合金二次加熱，再進行淬火，但需要注意不能加熱到過高溫度，會導致釬焊質量下降。

另外，在截齒的保護工藝層面還需要改進，現在的截齒多是直接使用硬質合金材料，缺乏對于材料本身的保護，在長時間工作后極易出現磨損，從而導致截齒失效。所以可以通過多種方式在工藝上加強對于截齒的保護。首先可以采用激光熔覆的技術，這項技術可以通過在截齒表面加覆一層耐磨合金，有效提升其硬度和耐磨度。其次是等離子束加工技術，這項技術是基于堆焊、熔覆等技術發展而來的新技術，等離子束加工技能能夠將任意配比的涂料附著于材料表面，在截齒上形成一層高強度的合金層，能夠有效減輕截齒的氧化腐蝕問題，提升截齒表面的硬度和耐磨程度，能夠有效延長截齒的使用壽命。還可以使用堆焊技術對于截齒進行加工，堆焊技術對于截齒的耐磨性有顯著提高，還能有效降低截齒在工作中刀頭脫落或崩碎等情況的發生概率，這些工藝都能有效改善采煤機和掘進機截齒失效的問題。

通過對實踐工作的分析，通過技術保護后的截齒相較于未做過保護措施的截齒其使用壽命能夠提升20%甚至更多，截齒能承受的齒間最大應力提升15%，截齒刀柄能承受的最大應力提升36%，截齒的平均損耗率明顯降低，效果十分顯著[4]。

2.3 加強摩擦學應用

前文提到，造成采煤機和掘進機截齒失效的另一個問題就是截齒的磨損問題，在采煤機和掘進機工作時，截齒刀頭與礦物接觸產生大量摩擦，不可避免地會產生刀頭磨損問題，在一定程度上刀頭磨損程度會影響截齒失效問題的發生概率。所以，如何減輕刀頭的磨損也是非常值得探究的一個問題。

摩擦學是一項主要對物體的磨損以及摩擦情況開展研究的學科門類，從摩擦學的角度出發，如何降低截齒的摩擦程度，增強截齒刀頭的耐磨度，從而延長截齒刀頭的使用壽命，都是工作人員值得學習研究的。在實際工作中，工作人員需要結合摩擦學知識，結合實際情況對采煤機和掘進機的各項參數進行改進和優化，從而達成減輕截齒磨損的目標。

2.4 改善截齒安裝角度

截齒的安裝角度對于采煤機和掘進機的截割能力有著很大程度的影響，所以截齒的安裝角度也是在改進采煤機和掘進機截齒失效問題的有效措施。截齒在滾筒上的安裝角度主要有沖擊角、傾斜角和歪斜角，其中沖擊角是對于采煤機和掘進機截割能力影響最大的，所以對于沖擊角的安裝角度改善是非常值得開展的。根據研究顯示，國內沖擊角的角度通常設置在40℃～50℃這個范圍，表面截齒沖擊角的角度增大，其截割時承受的阻力會顯著降低，歪斜角和傾斜角增大，會大幅度增加截割時承受的阻力，導致磨損嚴重。

所以，在安裝截齒的時候，要對開采或掘進環境進行充分考察和分析，在開采堅硬礦石的時候，就需要增大沖擊角增強截割能力，同時適當降低截齒安裝的歪斜角和傾斜角，減少磨損。相反，在質地相對較軟的開采中，就需要適當增大傾斜角和歪斜角，增大摩擦，提升開采的工作效率。

3 結語

要想有效解決采煤機與掘進機截齒失效問題，需要對截齒失效的發生原因進行深入研究，同時充分掌握截齒材料的優化和制作安裝工藝，進而延長截齒使用壽命，降低截齒失效造成的經濟損失。