采煤机专题-薄煤层采煤机截齿的分析及其优化

专题部分薄煤层采煤机截齿的分析及其优化配置截齿对于采煤机设计来讲是一个重要的问题，其基本要求是采出块煤多、产生煤尘多、截割比能耗低、截割阻力和牵引阻力较均衡地作用在滚筒上。因此对截齿进行优化，从而得到以上的效果来提高采煤效率，降低采煤成本显得尤为突出。本专题主要从滚筒截齿和端盘截齿两个方面进行分析优化。镐型截齿的落煤机理，即在截割过程中截齿齿尖以一定角度切入煤岩，挤压所在接触的煤岩，煤岩沿齿尖形成裂隙，从岩体上剥落碎块。1.首先对采煤机截齿失效形式的认识与分析1.1 截齿的磨损 锐利的截齿随着截割时间的增加，和煤岩的摩擦是齿尖变钝，出现磨损。这也是截齿失效的主要原因，磨损后的截齿，切削部分的面积增大，是截割阻力增加，截齿强度降低，而且粉尘量增多。对于镐型截齿，如果设计、制造、安装合力，可实现自磨刀，能够保持齿尖的锐利。截齿出现的磨损均为均匀磨损，截齿使用寿命长，否则，将出现单面磨损。另外，截齿在截割煤岩时，由于磨损热使刀头磨损表面产生 600-800的高温，而截齿截割煤岩是周期性的回转运动，当刀头接触煤岩时升温，离开煤岩时降温，使截齿齿顶产生高温回火，其组织一般为回火索氏体和铁素体，起硬度下降 50%左右，加速了截齿的磨损。大量实践证明，各矿用的截齿失效形式各不相同，软质煤或夹矸少的矿，截齿失效以多次磨损为主，硬质煤或夹矸多的矿多以合晶头崩碎、丢失和杆断为主。1.2 刀头脱落当截齿磨损到一定程度后，其齿尖的硬质合金刀形齿为合金片，镐形齿为合晶头将脱落。刀头脱落的原因主要有 2 个方面：a.焊接质量问题,如焊接处存在夹砂、微裂纹以及虚焊等缺陷；b.截齿在截割到煤岩时承受的强大冲击负荷，致使缺陷产生应力集中，反复的冲击，必然导致合金刀头的松动直至脱落。脱落硬质合金后截割截齿利用齿身截割，阻力大，严重磨损，加速截齿的破坏。1.3 刀头碎裂截齿截割煤岩时在冲击载荷作用下，刀头处于高压应力状态。若遇到煤岩中坚硬的矿料，在齿刃与煤岩接触不良处承受高的剪应力，处于拉应力状态，当应力超过合金的强度极限时即发生脆裂，截齿缺乏锐利的合金截齿，是截割阻力剧增，直接影响了生产效率，而且加剧了截齿的磨损。1.4 齿身折断由于截齿齿身强度不足，截齿截割坚硬岩石或包裹体夹杂物时，载荷加大，超过截齿许用强度时就容易发生齿身折断。 1.5 齿身弯曲当截齿承受很大的外力时，导致截齿的结构尺寸、刚度、布置方式等发生变化，引起齿身弯曲。超过截齿许用弯曲多发生在径向布置的刀形齿上。齿身弯曲后，截齿受力状态改变，就不能很好地完成截割任务。1.6 截齿丢失在实际使用过程中，截齿的丢失现象也是普遍存在的问题。截齿丢失的主要原因在于：截齿固定不可靠或固定装置磨损等等。经过大量的事实统计表明：各种截齿的失效形式所占的比列不同，依重轻程度的次序分别为：磨损、刀头脱落、齿身折断、齿身弯曲。约有 50%的截齿失效是由磨损造成的。根据上述分析的及截齿失效形式，可以采取相应的解决方法，尽可能的减少齿轮的失效，提高采煤机工作效率1)正确地选用截齿的类型镐形齿适用于层理、节理发达或含矸石的脆性煤岩，而刀形齿适用于截割坚以及层理和节理不发达的煤岩。2)改进截齿齿体与齿头的复合形式传统的截齿采用钳焊工艺，存在与齿头的硬度梯度较大和钎焊焊缝强度低等缺陷。采用镶铸工艺，刀头硬质合金与截齿体产生融合层，解决了硬质合金与截齿体间的联结问题，大大提高了固接强度，而且铸钢往往具有二次硬化效应，在保持齿头高硬度的同时，基体具有较高冲击韧性，能够满足整体性能要求。3)合理地选择截齿的几何参数和排列方式截齿的几何参数对截齿的截割性能和寿命影响很大。几何参数选择直接影响截齿的截割阻力、轴向力大小。截齿排列方式对工作机构的截割状态有重要影响，不同物理机械性质的煤岩，应选择不同的排列方式，设计不当，截齿的可靠性将显著的降低。所谓截齿可靠性，即指刀具在规定时间的切削条件和时间完成规定工作的能力。4)提高截齿的制造质量截齿的制造对截齿的失效有重要影响。从制造工艺上，截齿与齿座配合是否恰当、间隙大小、合金与齿体焊接质量等方面，都要注意保证截齿的制造质量。合理选择截齿的尺寸公差的精度，使固定件物理机械性能满足要求，截齿才能固定，防止丢齿。5)合理地选择材料及热处理工艺6)正确使用截齿2.其次对截齿进行优化本专题主要从两个方面对截齿进行优化，分别是截齿选材、截齿的排列安装，其包括滚筒截齿和端盘的排列安装。 2.1 截齿的选材在过去截齿的选材方面，大多都选用 35CrMnSi、 30CrMnSi、40Cr、45 等这些材料，但在实际应用过程中发现它们的韧性、耐磨性等性能远远无法满足煤矿开采的要求。渗碳后的 30CrMnMo 合金作为新的截齿基材，其良好的韧性和良好的机械性能是一种很有潜力的截齿材料。通过实验研究我们可以得知渗碳后的 30CrMnMo 通过形成一层厚的渗碳层大大提高了其表面硬度，降低了腐蚀速率，而且可以有效地增强耐磨性。渗 碳 前渗 碳 后0100200300400500600合 金 渗 碳 前 后 表 面 强 度渗 碳 前 渗 碳 后另外，这种合金良好的韧性即使在高冲击载荷下，也可以防止脆性断裂和疲劳断裂。在摩擦系数和腐蚀速率方面也表现很突出优异。渗碳后的 30CrMnMo 其腐蚀速率由 g/m 减少到了 g/m-3.210-3.210合 金渗 碳 合 金01234合 金 渗 碳 前 后 的 耐 磨 性 对 比合 金 渗 碳 合 金渗碳后的 30CrMnMo 的耐磨性大大的增强以上实验结论表明 30CrMnMo 可以作为采煤机截齿的基材，在未来的煤炭开采中有很广阔的应用空间。可以提高采煤效率，提高产量，降低开采成本，对企业来讲会增加其经济效益。2.2 截齿的排列布置滚筒截齿的排列安装可以提高块煤率，其优化理论依据为“密实核”学说，即切屑厚度与结局关系理论：如果切屑厚度不变，截距增大，即切屑断面增大，截割比能耗高，而且截距增大到一定程度，煤不能自动剥落，煤壁上出现许多截槽。如果截距太小，切屑断面小，频繁地重复截割，使比能耗升高，出块率下降。由于截齿在截煤过程中产生的截槽会有两侧崩落，在确定截齿排列和有关参数时要充分利用截槽的崩落效应。若截割截距过大，则新形成的截槽与已形成的截槽间会有一部分煤不能破落下来，而对以后的截割产生不利的影响；若截割截距小，将不能充分利用煤的崩落效应，截落下来的煤块度小，煤尘多，降低了借个效率。因此，最佳的截割截距应是既能充分地利用煤的崩落效应，又能不留下中间脊煤，即相邻截槽顶点的连线与崩落面重合。（1）截线距 t不同的螺旋头数和不同结构参数的螺旋滚筒，采用同一种截齿排列模式其切屑图是相似的。要把被截割的煤全部破落下来，必须合理地选择截距 t 和切屑深度 h，以及它们的合力比值 t/h。若以比能耗最小为优化目标，其最佳截距为：当 h10mm 时 opt p=.h+b.K（ 125）当 h10mm 时 73.04-（ ）经分析得知，棋盘式的布置方式出煤的块度大。（2）相邻截齿圆心角 完全相等以相邻截齿弧长 S 等分圆周 D 得等分，相邻截齿圆心角 =2/N，且每一截线截齿相同，均匀分布在圆周上；使每个截齿承受相等的截割阻力。端盘截齿的安装布置对滚筒的载荷波动起主导作用，端盘截齿的分布尽可能做到均匀对称。根据端盘宽度的不同，布置 5-9 条截线，由煤壁向采空区截线距逐渐增大由于端盘较窄，截线数量少，端盘上截齿排列的形式较少。截齿齿尖呈弧形排列，使切屑厚度逐渐增大，以改善最内侧截齿的截割条件。根据滚筒直径和截割交错排列，以避免煤岩被过度破碎。截齿排列常用截齿排列图表示，它是截齿齿尖所在平面的展开。实线代表齿尖运动的轨迹即截线距，实心黑点表示齿尖在端盘上的位置。排列时，应使端盘截齿的“螺旋线”方向与滚筒叶片旋向相反，以改善滚筒的受力状况。图 b 为按照图 a 排列形式得到的切屑图。可见，端盘截线距小，由内向外逐渐增大，形成的切屑面积也逐渐增大。端盘处的煤岩块度多为窄条状，狭长的煤岩极易破碎，容易产生较多的煤尘。第一条截线上的截齿处于全封闭截割状态，截齿受到很大的截割阻力，磨损严重。由截槽的不对称形状可知，其他截线上的截齿受力不均匀，存在侧向载荷，易产生向煤壁的轴向力。可见，提高煤岩块度、降低粉尘量与提高端盘截齿寿命是相互矛盾的，很难同时满足要求。因此，为保证采煤机的工作效率，在排布端盘截齿时应首先保证端盘截齿的使用寿命和较小的轴向载荷，使靠近煤壁截线上的截齿数量最多，以减小内侧截齿的切屑厚度和单齿受力，避免内侧截齿过度磨损。在此基础上每组截齿应采取交错排列方式，以改善切屑形状，尽量避免煤块因过于狭长而碎裂成粉尘。显然，切屑形状不仅与截齿排列形式有关，而且与滚筒的运行参数有关。结构一定的端盘，当排列确定时，增大牵引速度，降低滚筒