采煤機和掘進機截齒的失效分析及對策
時間：2015-07-08 作者 ：admin
采煤機和掘進機截齒的失效分析及對策
1、截齒的失效分析
截齒在截割煤巖時承受高的壓應力、剪切應力和沖擊負荷，煤的硬度雖不很高，但其中經常會遇到煤矸石等硬的礦料，并且在采煤和鑿巖過程中，截齒還有升溫問題，導致齒頂材質軟化，加速了截齒的失效過程。
1．1刀頭脫落
當截齒磨損到一定程度后，其齒尖的硬質合金(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個方面：(1)釬焊質量問題，如焊接處存在夾砂、微裂紋以及虛焊等缺陷；(2)截齒在截到煤巖時承受的強大沖擊負荷，致使缺陷產生應力集中，反復的沖擊，必然導致合金刀頭的松動，直致脫落。脫落硬質合金刀頭的截齒已經完全失效。
1．2刀頭碎裂(崩刃)
截齒截割煤巖時在沖擊載荷的作用下，刀頭處于高壓應力狀態。若遇到煤巖中堅硬的礦料，在齒刃與煤巖接觸不良處承受高的剪應力，處于拉應力狀態，當拉應力超過合金的強度極限時即發生碎裂，對于刀形齒來說表現為合金片的斷裂，而鎬形齒為鑲嵌刀尖的折斷。合金刀頭碎裂一崩刃后，截齒缺乏銳利的合金齒尖，使截割阻力劇增，直接影響生產效率的提高，且加劇了截齒的磨損。
1．3截齒的磨損
(1)磨粒磨損
截齒在工作過程中，磨粒(煤矸石等)與截齒表面間產生較大的壓應力，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，則在截齒表面擠出犁溝，隨著截齒工作時間的延長，磨粒反復對截齒表面推擠，產生嚴重的塑性變形流動，使得表面下層塑性發生相互作用，導致塑變區內位錯密度增加，變形材料表面產生裂紋，裂紋擴展，截齒表面形成薄片狀磨屑。而且煤層中存在腐蝕性介質與截齒表面發生化學反應而造成表面材料腐蝕，機械性能下降，并使表層金屬與基體材料結合力降低，加快了截齒材料表層的磨損。(2)熱疲勞磨損
截齒在截割煤巖時，承受高的間歇式的沖擊載荷，為了分析其對截齒表層的破壞，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接觸點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將變形，反復擠壓導致附近軟表面產生塑性流動并在截齒亞表面層形成積累。同時截齒截割煤巖時，由于磨損熱使刀頭磨損表面產生600—800℃的高溫，而截齒截割煤巖是周期性的回轉運動，故升溫是交變的，當刀頭接觸煤巖時升溫，離開煤巖時降溫，使截齒齒頂產生高溫回火，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，材料表層進一步軟化，導致塑變區內出現波浪式塑性流動和位錯密度增加，反復的彈塑變形，又使位錯集中，繼而在表層出現橫向微裂紋。大量的調研表明，各礦用截齒的失效各不相同，軟質煤或夾矸少的各礦，截齒失效以多次磨損為主，硬質煤或夾矸多的各礦多以合金頭崩碎、丟失和桿斷為主。
一般來說，被磨材料的硬度與抗磨料磨損性能成正比，但在復雜的工況條件下，高硬度不一定對應高的耐磨性，尤其在受沖擊載荷時更是這樣。同時在截齒的磨損失效過程中，材料的硬度和磨料的硬度都不是一個準確值，因為材料中可能存在軟的部分(如硬質合金中的粘結相，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)，煤實際上是一種混合磨料，其中軟磨料對截齒表面反復擠壓導致材料的疲勞磨損，而硬磨料則直接犁切截齒表面。
1．4齒身彎曲
當截齒承受很大的外力時，導致截齒的結構尺寸、剛度、布置方式等方面發生變化，引起齒身彎曲。齒身彎曲多發生在徑向布置(彎矩較大)．的刀形齒上。齒身彎曲后，截齒受力狀態改變，就不能很好地完成截割任務。
1．5齒身折斷
由于截齒齒身強度不足，截齒截割堅硬巖石或包裹體夾雜物時，載荷加大，超過截齒許用強度時就容易引起齒身折斷。
1．6截齒丟失
在實際使用過程中，截齒的丟失現象也是普遍存在的問題。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計，得其各失效形式的百分比。
由百分比圖可見，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。
2、對策探討
(1)由于截齒在截割煤巖時承受高壓應力、剪切應力和沖擊負荷，因此，在保證截齒表面足夠的耐磨性的同時，要注意截齒材料的韌性，以提高截齒的綜合機械化性能，延長截齒的使用壽命。
(2)改進截齒齒體與齒頭的復合形式。傳統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)和釬焊焊縫強度低等缺陷。采用鑲鑄工藝，刀頭硬質合金與截齒體產生熔合層，解決了硬質合金與截齒體問的聯接問題，大大提高了固接強度，而且鑄鋼往往具有二次硬化效應，在保持齒頭高硬度的同時，基體具有較高沖擊韌性，能夠滿足整體性能要求。
(3)正確地選用截齒的類型。鎬形齒適用于層理、節理發達或含夾石的脆性煤巖，而刀形齒適用于截割堅韌以及層理和節理不發達的煤巖。同時在煤質軟和夾矸少的地方，使用齒體硬度高些(如rmc52)，口。值相應低些的截齒，相反，則應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和排列方式。截齒的幾何參數對截齒的截割性能和壽命影響很大。幾何參數選擇直接影響截齒的截割阻力、軸向力大小。截齒排列方式對工作機構的截割狀態有重要影響，對不同物理機械性質的煤巖，應選擇不同的排列方式，設計不當，則截齒的可靠性將顯著地降低。齒身壽命與煤層中堅硬成分的含量和作用載荷有很大關系，而載荷大小取決于截割參數，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)截齒的制造質量對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、間隙大小、合金與齒體焊接質量等方面，都要注意保證截齒的制造質量。
硬質合金鑲嵌在齒尖處，它是直接參與截割的。對于不同的煤巖，其截割阻力和牽引阻力不同，焊縫的受力也不一樣。因此，截齒制造時要充分保證焊接的質量。合理選擇截齒的尺寸公差的精度，使固定件物理機械性能滿足要求，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到沖擊載荷的要求，這樣截齒和齒座才能承受較大的力，避免截齒失效。
(6)合理地選擇材料及熱處理工藝，來提高截齒的壽命。新一代截齒在特殊設計的碳化鎢表面鑲多晶金鋼石，壽命比普通碳化鎢截齒有明顯提高。
(7)正確使用截齒。每一種截齒，是滿足一定的截割參數和特定煤巖要求的，如果把適用于較軟煤巖的截齒用于截割較硬巖石，必然加劇截齒的破壞。超出設計截割參數使用截齒，也必然引起截齒過早失效，如果工作時牽引速度過大，使截割厚度超過截齒伸出長度，就會導致齒座觸煤，整個截齒連同齒座都處于截割狀態，將加劇全齒磨損，而且因載荷過大，易引起彎齒、斷齒現象。另外，在工作過程中隨時注意工作機構上截齒的狀態，以免加重相鄰截齒的負擔，及時更換磨損的截齒、及時添補丟失的截齒，以保證截齒的正常使用。
3、結語
通過對截齒的失效分析，進行相應的對策探討，是開展截齒可靠性研究的基礎。只要解決截齒在設計、制造、選擇和使用等方面存在的問題，就能夠明顯地提高截齒的可靠性，大大降低截齒損耗，進一步提高煤炭生產的效益，很好地適應高產高效礦井建設和發展的需要。
新聞資訊
聯系我們