胜利露天煤矿斗齿翻转换位应用实施分析

李在友，耿昊，田园

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古锡林浩特026015）

胜利露天煤矿斗齿翻转换位应用实施分析

李在友，耿昊，田园

（神华北电胜利能源有限公司，内蒙古锡林浩特026015）

通过对斗齿各部表面磨损破坏分析，研究变形后斗齿受力变化情况，实施挖掘机斗齿反转换位使用，均衡斗齿磨损变形，改善切削作用力，从而延长斗齿使用寿命，提升斗齿效力，拉低露天煤矿直接生产成本，实现企业增收。

斗齿寿命；磨损断裂；翻转换位；降本增效

0 引言

胜利一号露天煤矿坐落于内蒙古自治区锡林浩特市锡林河西岸，是由神华集团2005年注资承建，是我国大型露天煤矿之一，国家核准生产能力20 Mt/a，主要开采胜利煤田5＃和6＃煤层资源。目前，露天矿剥离采用单斗-卡车开采工艺，采煤采用单斗-卡车-地面半移动式破碎站-带式输送机半连续开采工艺[1]。单斗挖掘机是胜利露天煤矿采装工艺环节主采设备，主要包括6台太原重工生产的WK-35型电铲，该电铲铲斗有8颗斗齿。

斗齿是挖掘机上的重要部件，也是易损部件，斗齿安装在铲斗的最前端，属于悬臂梁结构，直接与矿石、沙土、岩石等物料接触，在铲装被挖掘物料时，既承受冲击作用，又承受较大的弯矩，其工况条件十分恶劣，磨损也非常严重[2]。胜利露天煤矿局部剥离岩层包含砾岩和砂岩，挖掘机在作业过程中，斗齿不但存在严重的磨料磨损，同时还要承受一定的冲击载荷，WK-35型电铲斗齿因而受损较为严重，导致每年斗齿及其相关配件产生的费用占据采装作业环节直接生产成本的较大比例。与此同时，因设备损坏、停机、停产而造成间接经济损失更大[3]。经过多年的现场工作实践，结合力学相关原理，胜利露天煤矿于2014年提出斗齿翻转换位使用的方法，有效提升了单颗斗齿的完成产量，就该矿如何实施斗齿翻转换位使用方法及其产生的相关效益进行分析研究。

1 采装过程中斗齿发生的受损变形情况

1.1 作业中斗齿实效形式

斗齿作为挖掘机最直接接触挖掘物料的受力核心部件，在挖掘过程中会由于跟物料的接触产生相对较为复杂的受力变化，既要承受与岩体碰撞产生的冲击力，又要受到插入岩体后产生的弯矩作用。服役过程中，斗齿尖部受到较大的冲击滑动磨粒磨损，尖部表面常出现各式犁沟、变形，造成表面磨损或脱落[4]。相关资料表明，斗齿的失效类型比例为磨损失效90%～95%，断裂、变形失效5%～10%，其它失效小于1%。显然，磨损失效是斗齿失效的主要形式[5]。但是在挖掘机的实际生产过程中，经常后由于磨损变形导致变形后的斗齿受力不均衡，斗齿所能承受的弯矩极限会大幅度减小，在碰到采装硬度或者块度较大的岩体时，因为受力极限的降低往往会引发斗齿的断裂，所以在实际生产中应该将斗齿的磨损变形与断裂变形综合考虑，或将磨损变形作为断裂变形的诱因来分析。

1.2 斗齿磨损断裂分析

除了外部荷载会导致斗齿变形破坏，同时，在挖掘机采装过程中斗齿与其相邻结构部件间的摩擦、碰撞也会对斗齿造成一定程度的破坏。在挖掘较硬物料时斗齿所受到的冲击力是较频繁的，在冲击力作用下，齿座与齿套之间发生激烈的冲击和摩擦，产生较高的温度，使材质的硬度和抗冲击韧性降低，导致齿尖很快磨损，齿座受冲击断裂[6]。而在挖掘较为松软的岩体物料时，虽然并不产生较大的冲击力，但是挖掘力和挖掘速度同样会对斗齿造成与相邻部件间的摩擦。挖掘力及挖掘速度大，同样会使齿套与齿座之间发生硬性摩擦从而导致局部温度升高[6]。因此，挖掘机挖掘过程中，斗齿受到的破坏力是来自多个方面，且不可避免的。

由于磨损破坏是斗齿破坏实效的最重要形式，斗齿与相邻结构部件之间也会产生摩擦，导致斗齿磨损变形。同时，斗齿的磨损变形又会导致其受力极限的降低，是斗齿断裂破坏实效的因素之一。所以研究挖掘机斗齿在生产过程中磨损变形的主要形式及变形分布，有利于对斗齿破坏失效的具体分析。由于在生产过程中斗齿各个表面所受到的磨擦及冲击力均不一致，各表面受到的破坏情况并不一样，因此各表面的变形速率也会大不相同，经过生产实际检验发现，斗齿下部的损坏程度明显要大于其他部位。根据相关统计表明，由于受力的不同，斗齿上表面、下表面、侧表面的相对磨损量为1∶3∶0.5[7]。由此可见，在挖掘生产中斗齿下表面确实是受损最为严重的部位。

2 胜利露天煤矿斗齿翻转换位使用方法

2.1 基于生产使用角度提出斗齿反转换位使用

作为挖掘机机械配件费用的重要组成部分，斗齿使用寿命的长短直接影响露天矿生产成本的高低，所以一直以来国内外都有很多关于如何提升斗齿使用寿命的相关研究。首要研究便是要对斗齿进行合理选材，尽量选用硬度和耐磨性较高且任性较为良好的材料制作斗齿，从而更好的适应挖掘机采装工程中冲击载荷的变化。目前，国外广泛开展了替代材料的研究开发，多种中、低碳合金钢金属铸锻焊技术(含碳量一般在0.20%～0.27%，以保证材料有足够的强度)应运而生[5]。为克服斗齿屈服强度较低的现象，通过添加铬钼铌耐磨合金钢等合金元素可以提升斗齿的强度，提高斗齿使用寿命，但是通过添加合金的手段，收效较好的合金材料价格普遍比较高昂，而价格相对合理的合金材料添加后虽然能够提升斗齿的耐磨性，但在韧性强化的收效上较差，不适用于挖掘机铲挖较硬的物料。除此之外，提升斗齿使用寿命还可以通过优化斗齿结构设计和生产工艺来实现，例如国外已有专业的斗齿生产商开发研究了仿真模拟软件，通过模拟设计优化斗齿形状及其安装角度等，优化斗齿结构，提升寿命。

虽然，在国内外已经有很多方法和措施可以提高挖掘机斗齿的使用寿命，但从其目前的研究方向来看，都是在斗齿安装使用前进行改进完善，在施工过程中如何避免过度的磨损和提前断裂等现象也是对于提升斗齿寿命十分重要的，尽量避免斗齿的提前断裂还能提高生产安全的稳定性。通过实践经验总结，胜利露天煤矿针对其主采设备WK—35型电铲的斗齿使用，提出了翻转换位使用的方法来提升斗齿的使用寿命。

2.2 斗齿翻转换位后磨损及受力变化

通过现场实践和数理统计已经证明在挖掘机的采装作业中，斗齿各表面收到的磨损变形量是不一致的，其中斗齿下表面的变形情况最为严重。所以在斗齿使用达到一定的时间之后，由于下表面的变形量远大于上表面，导致原本应位于斗齿中部的齿尖转至斗齿上部。当挖掘机继续进行采装作业时，斗齿的齿尖成为整个斗齿最先接触岩体的部位，斗齿的切削角度发生变化，由原本斗齿上表面先接触岩体齿尖向岩体内部切削，变成斗齿齿尖直接接触岩体并切削岩石。这样导致磨损变形后的斗齿齿尖成为了采装作业时承受冲击载荷的唯一部位，而不是由整颗斗齿共同承受，在这种情况下，齿尖部位承受的冲击载荷急剧增加，从而很有可能导致斗齿承受不住载荷变化直接提前断裂，极大缩短了斗齿的使用寿命。为了避免这种现象的发生，胜利露天煤矿在生产过程中通过对斗齿磨损变化的实时观察，在斗齿下表面磨损达到一定程度时，对斗齿进行翻转安装，将斗齿的上下表面位置互换。这样不仅均衡了整颗斗齿的各部磨损变形量，还可以通过翻转实现斗齿切削岩体角度的变化，由翻转后的斗齿上表面最先接触岩体，斗齿齿尖再向岩体内部切削。此时，挖掘机采装作业时又是由整颗斗齿共同承担与岩体碰撞生产的冲击载荷，降低斗齿局部压强，从而更好的利用斗齿整体强度，避免出现斗齿提前断裂现象，从而提升斗齿使用寿命。

在电铲采用排勺挖掘作业时，由于8颗斗齿接触岩体的先后顺序不同，会导致铲斗斗齿磨损程度不同，磨损变形量由一侧向另一侧依次变大（根据个人操驾方式不同磨损量的变化方向可能不同）。当铲斗两侧斗齿变形量差异较大时，铲斗的入铲切削角度变化，挖掘力会减小，生产效率下降。胜利露天矿通过及时更换斗齿安装位置，互换铲斗两侧变形量不一样的斗齿，从而恢复入铲切削角度，提高生产效率。同时，切削角度的恢复可以降低铲斗与岩体发生的冲击载荷，并通过位置互换均衡同批次斗齿磨损变形量，最终有效延长斗齿使用寿命。

3 斗齿翻转换位使用成效

3.1 产量、寿命分析

斗齿是挖掘机的易损配件之一，在生产成本中占有很大比例，因此，它的使用合理与否，对于降低生产成本，提高设各效率，具有重要意义[8]。胜利露天煤矿自2014年实施斗齿翻转换位之后，斗齿寿命明显提升，近3年单颗斗齿完成产量逐年提升，详见表1。

表1 2013—2016年斗齿及钢丝绳平均完成产量

由表1可见，通过斗齿翻转换位的实施，胜利露天煤矿单颗斗齿产量显著提升，同时，由于斗齿翻转换位后，改善了采装作业斗齿切削作用力，降低了挖掘机提升装置承受的载荷，延长了提升钢丝绳使用寿命，单幅钢丝绳完成产量明显增加，节约了露天矿直接生产成本。基于主要讨论WK—35型电铲斗齿翻转换位使用在胜利露天煤矿实施应用效果，故仅以近3年来斗齿寿命提升情况来进行成本效果分析。

3.2 经济效益分析

以2016年为例，年度完成产量4 452万m3，在实施斗齿翻转换位前，2013年单颗斗齿完成产量9.38万m3/颗，则需使用斗齿475颗。通过斗齿翻转换位的实施，均衡斗齿磨损量，改善斗齿变形后切须作用力后，2016年单颗斗齿完成产量11.57万m3/颗，即全年消耗斗齿385颗。在此期间，胜利露天煤矿WK-35电铲使用的斗齿并未发生材料和结构改变，地质条件变化不大，所采岩体物性基本一致，故可视为通过斗齿翻转换位的实施，2016年胜利露天煤矿节约斗齿90颗，每颗斗齿采购价格约为3 200元/颗，即2016年斗齿寿命的提升节约露天矿直接生产成本28.8万元。同理计算，可算得自2014年斗齿翻转换位实施，胜利露天煤矿累计节约生产成本62.7万元。

4 结论

由于采掘作业中铲斗斗齿不可避免的存在切削磨损机制和疲劳剥落机制，为提升斗齿平均使用寿命，胜利露天煤矿通过实践总结，从生产使用的角度着手，提出斗齿翻转换位方法实施。均衡了铲斗斗齿各部表面的磨损变形量，避免斗齿因局部磨损量过大导致提前断裂，同时通过翻转换位实现变形后斗齿切削角度的变化，改善了斗齿承受载荷集中的情况，从而有效扼制斗齿提前断裂，增加斗齿服役时间。通过斗齿反转换位实施后胜利露天煤矿斗齿消耗情况的效果分析，证明确实有效节约了露天矿直接生产成本，对于露天矿降本增效具备重要意义，且方法实施简单便捷，适于行业内部推广使用。

［1］黄月军，刘树德，石广洋，等.胜利露天煤矿半移动式破碎站移设方案优化［J］.露天采矿技术，2013（12）：44-48．

［2］胡元哲.大型矿山挖掘机斗齿磨损失效分析与抗磨措施［J］.润滑与密封，2006（5）：165-167．

［3］周志丹，陈垣，刘金龙.提高挖掘机斗齿寿命的研究现状和发展［J］.煤矿机械，2011（3）：7-9．

［4］吴世常，王青澄，贾素琴．挖掘机斗齿抗磨材料及制造工艺的国内外概况［J］.铸造，1996（7）：3．

［5］孙方红，马壮，黄凤岐，等.提高矿用挖掘机斗齿性能的研究进展［J］.热加工工艺，2011（21）：58-60．

［6］杨烈，李奇林.挖掘机斗齿结构改进分析［J］.工程机械，2010（12）：9-11．

［7］张琰，黄河，任露泉.挖掘机仿生斗齿土壤切削试验与减阻机理研究［J］.农业机械学报，2013（1）：258-261．

［8］钟日红，马秀珍，王铁铸.组合式斗齿的合理使用［J］.露天采矿技术，2001（4）：30．

【责任编辑：解连江】

Application analysis of bucket gear turnover and transposition in Shengli Open-pit Mine

LI Zaiyou,GENG Hao,TIAN Yuan
(Shenhua Beidian Shengli Energy Co.,Ltd.,Xilinhot 026015,China)

Through analyzing bucket tooth surface wear failure,the article researches the change condition of bucket tooth load after the deformation,implements reverse transposition using of excavator bucket teeth,balances bucket tooth wear deformation,improves the cutting force to prolong the service life of the bucket teeth.The company promotes the effect of bucket tooth,lowers direct production cost of the open-pit coal mine,and realizes enterprises'income.

bucket tooth life;wear fracture;reverse transposition;save efficiency

TD422

B

1671－9816（2017）08－0050－04

10.13235/j.cnki.ltcm.2017.08.014

李在友，耿昊，田园.胜利露天煤矿斗齿翻转换位应用实施分析［J］.露天采矿技术，2017，32（8）：50-52.

2017-04-04

李在友（1981—），男，汉，山东潍坊人，中级工程师，2006年毕业于太原理工大学电气工程及其自动化专业，现任神华北电胜利能源有限公司胜利露天煤矿采掘队队长。