截齒主要失效形式為刀頭脫落、崩刀和刀頭、刀體磨損，在某些工況條件下也經(jīng)常因?yàn)榈扼w折斷造成截齒的失效。由于截齒刀體的機(jī)械性能好壞直接影響截齒的使用壽命，所以合理選擇截齒刀體的材質(zhì)和有效的熱處理方式，對(duì)減少截齒刀體的磨損折斷、降低采煤機(jī)截齒消耗量、提高采煤機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)率、增加采煤生產(chǎn)的綜合經(jīng)濟(jì)效益，都有積極的意義。
截齒失效原因：
通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)截齒損壞形式的調(diào)研和對(duì)一些國(guó)內(nèi)外截齒的解剖分析及抗沖擊性能試驗(yàn),截齒失效原因主要有以下幾方面:
1 抗沖擊性能低
通過(guò)大量觀察損壞的截齒,發(fā)現(xiàn)多數(shù)截齒的損壞不是正常磨損失效,尤其在硬巖截割中更為嚴(yán)重。原因如下。
(1)合金刀頭的性能差。國(guó)產(chǎn)合金中有石墨雜質(zhì),晶粒分布不均勻,部分合金中有裂紋,這是造成硬質(zhì)合金頭崩裂的主要原因;其次是國(guó)產(chǎn)合金壓制工藝比較落后,合金上下密度差大、孔隙多、硬度低。
(2)合金頭釬焊殘余應(yīng)力大。由于合金刀頭與齒體材料的熱膨脹系數(shù)相差較大,且冷卻時(shí)的收縮差隨釬焊溫度的增大而增大。國(guó)產(chǎn)截齒多采用銅鋅釬料,其焊接溫度達(dá)950℃以上,焊接殘余應(yīng)力較大。
(3)截齒齒體頭部崩裂和偏磨使合金頭過(guò)早失去保護(hù)支撐。其原因主要是國(guó)產(chǎn)原材料性能不穩(wěn)定,部分原材料中心疏松嚴(yán)重,使截齒體內(nèi)部有潛在裂紋。有的截齒在工作時(shí)不能自轉(zhuǎn),往往造成齒體的偏磨。
2 耐磨性差
耐磨性是指合金刀頭和齒頭部的耐磨性能。國(guó)產(chǎn)截齒合金一般含鈷量偏高,組織不完整,密度低,硬度不高,致使截齒合金刀頭耐磨性能差。而截齒頭部則是由于原材料質(zhì)量性能不穩(wěn)定和截齒熱處理工藝不當(dāng)?shù)仍?造成截齒頭部有裂紋,硬度偏低,影響其耐磨性。
3 掉合金頭
截齒掉合金頭是截齒失效的主要形式之一。截齒掉合金頭現(xiàn)象分為早期、中期和后期掉合金頭。其中早期掉合金頭所造成的危害最大,截齒在很短的工作時(shí)間里,釬焊在截齒體上的硬質(zhì)合金刀頭便從截齒體上掉下,致使截齒提前報(bào)廢。截齒的早期和中期掉合金頭的原因主要是焊縫質(zhì)量差,強(qiáng)度低,截齒體加工尺寸控制不嚴(yán),造成焊縫間隙過(guò)大或過(guò)小,致使焊料流動(dòng)困難,從而造成合金頭“擠死”或“缺焊”。為此我國(guó)頒發(fā)的煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT246 -1996《煤礦用截齒》中對(duì)截齒的焊縫提出了要求,要求釬焊焊縫的剪切強(qiáng)度 ≥180 MPa ,優(yōu)質(zhì)截齒的釬焊焊縫的剪切強(qiáng)度 ≥230 MPa ,另外要求焊縫內(nèi)焊料充盈度不小于80 %。截齒掉合金頭另外的原因就是合金頭釬焊工藝不當(dāng)和焊前處理不好。截齒的后期掉合金頭是因?yàn)榻佚X體前端的過(guò)度磨損使得硬質(zhì)合金刀頭過(guò)分突出,焊縫面積減小,從而導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度不夠造成截齒掉合金頭。因此,要解決截齒后期掉合金頭,除了提高釬焊質(zhì)量和焊縫強(qiáng)度外,更重要的是提高截齒體前端的耐磨性。
截齒的失效形式
截齒在截割煤巖時(shí)承受高的壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力 和沖擊負(fù)荷,煤的硬度雖不很高,但其中經(jīng)常會(huì)遇到
煤矸石等硬的礦料,并且在采煤和鑿巖過(guò)程中,截齒還有升溫問(wèn)題,導(dǎo)致齒頂材質(zhì)軟化,加速了截齒的失效過(guò)程。
刀頭脫落 當(dāng)截齒磨損到一定程度后,其齒尖的硬質(zhì)合金(刀形齒為合金片,鎬形齒為合金頭)將脫落。
刀頭脫落的原因主要有2個(gè)方面:
(1)釬焊質(zhì)量問(wèn)題,如焊接處存在夾砂、微裂紋以及虛焊等缺陷;
(2)截齒在截到煤巖時(shí)承受的強(qiáng)大沖擊負(fù)荷,致使缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中,反復(fù)的沖擊,必然導(dǎo)致合金刀頭的松動(dòng),直致脫落。脫落硬質(zhì)合金刀頭的截齒已經(jīng)完全失效。
刀頭碎裂(崩刃)截齒截割煤巖時(shí)在沖擊載荷的作用下,刀頭處于高壓應(yīng)力狀態(tài)。若遇到煤巖中堅(jiān)硬的礦料,
在齒刃與煤巖接觸不良處承受高的剪應(yīng)力,處于拉應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)合金的強(qiáng)度極限時(shí)即發(fā)生碎裂, 對(duì)于刀形齒來(lái)說(shuō)表現(xiàn)為合金片的斷裂,而鎬形齒為鑲嵌刀尖的折斷。合金刀頭碎裂—崩刃后,截齒缺乏銳利的合金齒尖,使截割阻力劇增,直接影響生產(chǎn)效率的提高,且加劇了截齒的磨損。
截齒的磨損
(1)磨粒磨損 截齒在工作過(guò)程中,磨粒(煤矸石等)與截齒表面間產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力,帶有銳利棱角并具有合適的迎角的磨粒能切削截齒表面形成顯微切削;如果磨粒不夠尖銳或刺入截齒表面角度不適當(dāng),則在截齒表面擠出犁溝,隨著截齒工作時(shí)間的延長(zhǎng),磨粒反復(fù)對(duì)截齒表面推擠,產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形流動(dòng),
使得表面下層塑性發(fā)生相互作用,導(dǎo)致塑變區(qū)內(nèi)位錯(cuò)密度增加,變形材料表面產(chǎn)生裂紋,裂紋擴(kuò)展,截齒表面形成薄片狀磨屑。而且煤層中存在腐蝕性介質(zhì)與截齒表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而造成表面材料腐蝕,機(jī)械性能下降,并使表層金屬與基體材料結(jié)合力降低,加快了截齒材料表層的磨損。
僅ZZS6000A、ZZS5600、ZFS7500及ZZ5000四種液壓支架共400余件鉚焊結(jié)構(gòu)連接頭分別在晉華宮礦、雁崖礦進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn),性能可靠,使用效果良好,受到了用戶(hù)的一致好評(píng),該結(jié)構(gòu)連接頭具有良好的使用發(fā)展前景。
(2)熱疲勞磨損 截齒在截割煤巖時(shí),承受高的間歇式的沖擊載荷,為了分析其對(duì)截齒表層的破壞,可將沖擊載荷分解成法向力和切向力。法向力和切向力通過(guò)接觸點(diǎn)作用傳遞到截齒次表層,在這些力的作用下,截齒表面上較硬的微凸點(diǎn)將變形,反復(fù)擠壓導(dǎo)致附近軟表面產(chǎn)生塑性流動(dòng)并在截齒亞表面層形成積累。同時(shí)截齒截割煤巖時(shí),由于磨損熱使刀頭磨損表面產(chǎn)生600～800℃的高溫,而截齒截割煤巖是周期性的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),故升溫是交變的,當(dāng)?shù)额^接觸煤巖時(shí)升溫,離開(kāi)煤巖時(shí)降溫,使截齒齒頂產(chǎn)生高溫回火,其組織一般為回火索氏體和鐵素體,其硬度下降50%,加速了截齒的磨損
。由于截齒表層溫度的不斷變化,材料表層進(jìn)一步軟化,導(dǎo)致塑變區(qū)內(nèi)出現(xiàn)波浪式塑性流動(dòng)和位錯(cuò)密度增加,反復(fù)的彈塑變形,又使位錯(cuò)集中,繼而在表層出現(xiàn)橫向微裂紋。 大量的調(diào)研表明,各礦用截齒的失效各不相同,軟質(zhì)煤或夾矸少的各礦,截齒失效以多次磨損為主
,硬質(zhì)煤或夾矸多的各礦多以合金頭崩碎、丟失和桿斷為主。 一般來(lái)說(shuō),被磨材料的硬度與抗磨料磨損性能成正比,但在復(fù)雜的工況條件下,高硬度不一定對(duì)應(yīng)高的耐磨性,尤其在受沖擊載荷時(shí)更是這樣。同時(shí)在截齒的磨損失效過(guò)程中,材料的硬度和磨料的硬度都不是一個(gè)準(zhǔn)確值,因?yàn)椴牧现锌赡艽嬖谲浀牟糠?如硬質(zhì)合金中的粘結(jié)相,刀體中的鐵素體相),軟磨料中也可能存在硬的粒子(如煤中的黃鐵礦、石英等),煤實(shí)際上是一種混合磨料,其中軟磨料對(duì)截齒表面反復(fù)擠壓導(dǎo)致材料的疲勞磨損,而硬磨料則直接犁切截齒表面。
齒身彎曲 當(dāng)截齒承受很大的外力時(shí),導(dǎo)致截齒的結(jié)構(gòu)尺寸、剛度、布置方式等方面發(fā)生變化,引起齒身彎曲。齒身彎曲多發(fā)生在徑向布置(彎矩較大)的刀形齒上。齒身彎曲后,截齒受力狀態(tài)改變,就不能很好地完成截割任務(wù)。
齒身折斷 由于截齒齒身強(qiáng)度不足,截齒截割堅(jiān)硬巖石或包裹體夾雜物時(shí),載荷加大,超過(guò)截齒許用強(qiáng)度時(shí)就容易引起齒身折斷。
截齒丟失 在實(shí)際使用過(guò)程中,截齒的丟失現(xiàn)象也是普遍存在的問(wèn)題。 截齒丟失的主要原因在于:截齒固定不可靠或固定裝置磨損等等。為了分析比較截齒的各種失效程度,取7種不同截齒的失效形式統(tǒng)計(jì),得其各失效形式的百分比(圖略)。 由百分比圖可見(jiàn),各種截齒的失效形式所占比例不同,依重輕程度的次序分別為:磨損、刀頭脫落、齒身折斷、齒身彎曲。約有50%的截齒失效是由磨損造成的。
解決方案 對(duì)策探討
(1)由于截齒在截割煤巖時(shí)承受高壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力和沖擊負(fù)荷,因此,在保證截齒表面足夠的耐磨性的同時(shí),要注意截齒材料的韌性,以提高截齒的綜合機(jī)械化性能,延長(zhǎng)截齒的使用壽命。
(2)改進(jìn)截齒齒體與齒頭的復(fù)合形式。傳統(tǒng)的截齒采用釬焊工藝,存在齒體與齒頭的硬度梯度較大(HRC30～70)和釬焊焊縫強(qiáng)度低等缺陷。采用鑲鑄工藝,刀頭硬質(zhì)合金與截齒體產(chǎn)生熔合層,解決了硬質(zhì)合金與截齒體間的聯(lián)接問(wèn)題,大大提高了固接強(qiáng)度,而且鑄鋼往往具有二次硬化效應(yīng),在保持齒頭高硬度的同時(shí),基體具有較高沖擊韌性,能夠滿(mǎn)足整體性能要求。
(3)正確地選用截齒的類(lèi)型。鎬形齒適用于層理、節(jié)理發(fā)達(dá)或含夾石的脆性煤巖,而刀形齒適用于截割堅(jiān)韌以及層理和節(jié)理不發(fā)達(dá)的煤巖。同時(shí)在煤質(zhì)軟和夾矸少的地方,使用齒體硬
度高些(如HRC52),αk值相應(yīng)低些的截齒,相反,則應(yīng)考慮提高材料的塑性和韌性,稍微降低一些硬度(如HRC38～43)。
(4)合理地選擇截齒的幾何參數(shù)和排列方式。截齒的幾何參數(shù)對(duì)截齒的截割性能和壽命影響很大。幾何參數(shù)選擇直接影響截齒的截割阻力、軸向力大小。截齒排列方式對(duì)工作機(jī)構(gòu)的截割狀態(tài)有重要影響,對(duì)不同物理機(jī)械性質(zhì)的煤巖,應(yīng)選擇不同的排列方式,設(shè)計(jì)不當(dāng),則截齒的可靠性將顯著地降低。齒身壽命與煤層中堅(jiān)硬成分的含量和作用載荷有很大關(guān)系,而載荷大小取決于截割參數(shù),在高載荷的切削條件下,齒身壽命急劇下降,比其磨損壽命還要低。
(5)截齒的制造質(zhì)量對(duì)截齒的失效有重要影響。從制造工藝上,截齒與齒座配合是否恰當(dāng)、間隙大小、合金與齒體焊接質(zhì)量等方面,都要注意保證截齒的制造質(zhì)量。 硬質(zhì)合金鑲嵌在齒尖處,它是直接參與截割的。對(duì)于不同的煤巖,其截割阻力和牽引阻力不同,焊縫的受力也不一樣。因此,截齒制造時(shí)要充分保證焊接的質(zhì)量。 合理選擇截齒的尺寸公差的精度,使固定件物理機(jī)械性能滿(mǎn)足要求,截齒才能固定,防止丟齒。 齒座的熱處理工藝、齒柄與座孔間配合表面的間隙以及硬度都要達(dá)到?jīng)_擊載荷的要求,這樣截齒和齒座才能承受較大的力,避免截齒失效。
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