采煤机和掘进机的截齿失效原因及改进措施探讨

邓 凯

（山西焦煤西山机电厂， 山西 太原 030000）

0 引言

截齿质量对采煤机和掘进机工作效率具有重要影响，直接影响企业经济效益。为避免在生产工作时出现截齿失效问题，需要通过多种方式提升截齿强度和耐用性，从而更好开展工作。

1 采煤机和掘进机截齿失效原因

1.1 磨损与断裂

在采煤机和掘进机进行工作的时候，造成截齿失效的主要原因就是磨损，在采煤机或掘进机对煤层或土层进行切割开采的时候，机器上的截齿会与矿石不断摩擦，截齿在这个阶段中承受了巨大的周期性应力，截齿上承载的负荷也非常巨大，从而导致采煤机和掘进机的截齿发生磨损甚至断裂的情况。通常因为采掘机和掘进机的工作原理和截齿的受力规律，导致截齿的头部磨损较为严重，但有的时候因为磨损较重，会导致截齿的裤体部分出现磨损，裤体磨损就会导致截齿直接断裂失效。

有的时候即便磨损不是很严重，仍然出现断裂导致截齿失效的情况，这主要是因为在对矿石截割的过程中，在遇到质地过于坚硬的石料矿石等物体时，短时间的接触就会给截齿施加一个非常大的冲击力，会导致截齿受到高压应力的作用，这直接超过了截齿合金强度极限，从而导致断裂失效。另外，有些使用时间过长的截齿会因为长时间受力导致其表面或内部出现裂纹，这些裂纹在新的力的作用下会不断扩大直至断裂，从而出现截齿断裂失效的情况[1]。

另外，截齿在对煤矿岩石进行截割时，因为长时间的快速摩擦，会导致截齿表面的温度出现大幅度的升高，温度甚至会达到600～800 ℃，再加上截齿是固定在滚筒上不断进行回转的，就会导致已经升到较高温度的截齿又不断降温，温度不断交替就会在截齿的刀头上出现回火现象，高温回火会直接导致刀头的硬度降低，有研究表明其硬度下降能达到50%以上，硬度的大幅度降低就会加重刀头的磨损，温度的升高还会导致截齿表面的材料出现软化现象，随着截齿不断受力，就会导致截齿在高温下逐渐发生塑像形变，在冷却后就会出现裂缝，随着截齿不断使用，裂缝就会沿着裂缝的方向不断加深，直到有裂缝的截齿无法再次承受高压应力，直接发生断裂或表面材料大量脱卸，从而导致截齿失效的问题发生。

1.2 齿头质量不足

采煤机与掘进机的截齿通常使用硬质合金齿头，但硬质合金齿头并非坚不可摧，在开展煤矿石截割工作时，由于矿石中会含有很多杂质，这些杂质多为质地坚硬的其他石头或矿物，在截齿与坚硬物体接触时就受到一个高压应力作用。由于高压应力会覆盖刀头和截齿刃，一旦出现截齿与矿物接触不严密情况，就会导致截齿刃离开高压应力状态，但此时刀头仍处于高压应力状态，刀头和截齿刃之间就会产生非常高的剪应力，剪应力会转化为对二者之间的拉应力，拉应力在超过硬质合金齿头的合金强度极限后，会造成刀头断裂，最终导致截齿失效。

另外，因为在生产过程中，截齿发生磨损的情况非常常见，一般情况下磨损都能应付，但有的时候磨损会导致截齿尖的硬质合金脱落。截齿尖的硬质合金脱落问题通常出现在截齿安装后的早期和后期，早期出现脱落会导致这个硬质合金刀头只经历很短的工作时间就报废，直接导致截齿失效的情况，只能更换。后期出现脱落问题相对来说危害小一些，主要是后期本身临近刀头更换的时间，工作人员已经有所准备，不会对工程进度产生较大的影响。

影响齿头质量的因素还有很多，例如焊接工艺，根据调查，在实际工作中，齿头的钎焊质量对硬质合金脱落导致截齿失效问题发生的概率有着直接影响。据分析，通常齿头最脆弱的地方就是焊接部位，这个位置在进行焊接的时候就需要严格确保质量，不能在接缝处存在夹砂或裂纹，如果存在夹砂或裂纹的情况，就会导致焊接部位无法承受巨大的剪应力导致断裂或齿头脱落的情况。此外，截齿裤体的材料选择方面也非常值得注意，前文提到截齿裤体发生断裂的问题，这就需要截齿裤体的材料选择上满足硬度和耐磨度两方面的要求。如果硬度和耐磨度不达标，就会在生产中导致保持力不够，会导致硬质合金脱落，自身断裂等情况，直接使截齿失效[2]。

2 采煤机和掘进机截齿失效问题改进措施

2.1 选择更坚固的材料

根据上文对于采煤机和掘进机截齿失效问题的原因分析，不难看出，截齿失效问题的主要原因就是截齿的材料在一些情况下无法承受住过大的剪应力和拉应力，从而导致断裂，此外还有截齿的材料在耐磨度上还不足以满足工作需求，导致在一段时间使用后出现磨损，也会进一步加大发生断裂问题的概率。

所以核心问题就在于截齿材料的选择上，截齿的材料选择必须要满足足够的强度和耐磨度，确保不会出现磨损或断裂的情况，但施工单位的经费也不是无限的，所以就需要根据开采挖掘工作的实际情况选择合适的刀头，实现满足需求的同时降低成本的目的。所以在开展工作前，需要对采矿地点的矿物或挖掘现场的土质进行分析，分析其中的矿石硬度，如果矿石硬度较小，可以选择硬度小一些的合金刀头型号，通常YG11 和YG13 两种合金刀头就可以满足较小硬度的矿石开采需求。在矿石硬度较大的时候，就需要采用硬度较高的合金刀头，通常这类硬度高的刀头在制造时为了确保有效性，会在其中添加Co 等元素，有效增加其硬度。所以在对硬度较高的矿石进行开采工作的时候，可以选用YG25 刀头，这种刀头在硬度满足需要的同时还具备较高的耐磨性，可以很好地满足生产需要。

除开硬质合金刀头外，有些时候优质合金钢材料制成的刀头也是很好的选择，工作人员可以根据工程现场的实际情况对刀头进行选择，优质合金钢材质是一种复合硬质合金材料，优质合金钢目前也被大规模用于截齿齿体的制造上，具备良好的硬度和抗冲击能力，另外优质合金钢的疲劳极限也很高，能够有效提升刀头的使用寿命。但优质合金钢材料存在一个缺陷，就是其回火脆性较高，在温度升高下降的过程中就会出现变脆的问题，所以经常出现高温的采掘工作中，优质合金钢刀头就不是一个很好的选择，在这种情况下刀头会更容易出现断裂的情况。

目前我国主要使用的优质合金钢刀头有35CrMnSi、42CrMo 等型号，其中35CrMnSi 的适用范围会更加广泛，42CrMo 刀头综合性能更加优秀，这就需要工作人员对现场的实际情况进行考察分析，最终确定具体采用什么型号的刀头。此外由于在采掘工作中地质情况可能随时发生变化，就需要工作人员随着工程开展对截齿刀头的状态和前方的地质情况进行评估，随时更换最合适的刀头，从而大幅度降低发生截齿失效的概率，确保工程能够顺利开展[3]。

2.2 改进工艺

要想对采煤机和掘进机截齿失效问题进行改进，除开对截齿的刀头材料做出合理选择，还需要从截齿的各项工艺入手，不断改进工艺，使得截齿的质量更高，从而满足工程需求。

截齿是由刀头和齿体连接在一起组成的，所以连接的地方也是截齿的弱点，很容易从连接处发生断裂导致截齿失效，所以在对采煤机和掘进机截齿失效问题进行改进的首要工作就是改进截齿刀头和齿体连接工艺，在以往的生产中，人们主要采用钎焊的方式对齿体和刀头进行连接，虽然钎焊的方式已经具备一定强度，但还不能确保截齿具备足够的硬度，另外，钎焊技术不足，操作工艺过于单一都会导致钎焊连接的截齿存在强度上的不足，无法确保截齿成品的强度。因为这些原因，在改进截齿的连接工艺时就可以加上热处理的方式对钎焊后的截齿加强强度，热处理工艺能够有效提升截齿钎焊的强度，有效降低截齿在实际工作中出现断裂的概率。热处理工作有两种主要处理方式，要对材料进行充分考察后选择使用，如果材料淬透性较好，就可以采用第一种热处理方式，通过在硬质合金钎焊的时候，趁材料尚未冷却进行淬火，能够有效提升其强度。如果材料的淬透性较低，就可以采取第二种方式，对钎焊完成后的硬质合金二次加热，再进行淬火，但需要注意不能加热到过高温度，会导致钎焊质量下降。

另外，在截齿的保护工艺层面还需要改进，现在的截齿多是直接使用硬质合金材料，缺乏对于材料本身的保护，在长时间工作后极易出现磨损，从而导致截齿失效。所以可以通过多种方式在工艺上加强对于截齿的保护。首先可以采用激光熔覆的技术，这项技术可以通过在截齿表面加覆一层耐磨合金，有效提升其硬度和耐磨度。其次是等离子束加工技术，这项技术是基于堆焊、熔覆等技术发展而来的新技术，等离子束加工技能能够将任意配比的涂料附着于材料表面，在截齿上形成一层高强度的合金层，能够有效减轻截齿的氧化腐蚀问题，提升截齿表面的硬度和耐磨程度，能够有效延长截齿的使用寿命。还可以使用堆焊技术对于截齿进行加工，堆焊技术对于截齿的耐磨性有显著提高，还能有效降低截齿在工作中刀头脱落或崩碎等情况的发生概率，这些工艺都能有效改善采煤机和掘进机截齿失效的问题。

通过对实践工作的分析，通过技术保护后的截齿相较于未做过保护措施的截齿其使用寿命能够提升20%甚至更多，截齿能承受的齿间最大应力提升15%，截齿刀柄能承受的最大应力提升36%，截齿的平均损耗率明显降低，效果十分显著[4]。

2.3 加强摩擦学应用

前文提到，造成采煤机和掘进机截齿失效的另一个问题就是截齿的磨损问题，在采煤机和掘进机工作时，截齿刀头与矿物接触产生大量摩擦，不可避免地会产生刀头磨损问题，在一定程度上刀头磨损程度会影响截齿失效问题的发生概率。所以，如何减轻刀头的磨损也是非常值得探究的一个问题。

摩擦学是一项主要对物体的磨损以及摩擦情况开展研究的学科门类，从摩擦学的角度出发，如何降低截齿的摩擦程度，增强截齿刀头的耐磨度，从而延长截齿刀头的使用寿命，都是工作人员值得学习研究的。在实际工作中，工作人员需要结合摩擦学知识，结合实际情况对采煤机和掘进机的各项参数进行改进和优化，从而达成减轻截齿磨损的目标。

2.4 改善截齿安装角度

截齿的安装角度对于采煤机和掘进机的截割能力有着很大程度的影响，所以截齿的安装角度也是在改进采煤机和掘进机截齿失效问题的有效措施。截齿在滚筒上的安装角度主要有冲击角、倾斜角和歪斜角，其中冲击角是对于采煤机和掘进机截割能力影响最大的，所以对于冲击角的安装角度改善是非常值得开展的。根据研究显示，国内冲击角的角度通常设置在40℃～50℃这个范围，表面截齿冲击角的角度增大，其截割时承受的阻力会显著降低，歪斜角和倾斜角增大，会大幅度增加截割时承受的阻力，导致磨损严重。

所以，在安装截齿的时候，要对开采或掘进环境进行充分考察和分析，在开采坚硬矿石的时候，就需要增大冲击角增强截割能力，同时适当降低截齿安装的歪斜角和倾斜角，减少磨损。相反，在质地相对较软的开采中，就需要适当增大倾斜角和歪斜角，增大摩擦，提升开采的工作效率。

3 结语

要想有效解决采煤机与掘进机截齿失效问题，需要对截齿失效的发生原因进行深入研究，同时充分掌握截齿材料的优化和制作安装工艺，进而延长截齿使用寿命，降低截齿失效造成的经济损失。