采煤机截齿分析与优化
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摘 要：现阶段，随着社会的发展，我国的煤矿工程的发展也突飞猛进。采煤机是煤矿“三机”之一，是集机、电、液为一体的大型现代化采煤机械。由于工作环境复杂恶劣，受力较大，在高强度、高负荷的采煤生产作业中，采煤机的一些机械部件经常会出现磨损失效的问题。其中截齿做为落煤、碎煤的主要工具，是采煤机的易损件之一，截齿的磨损失效问题也是比较常见的。如果截齿出现磨损失效，则会直接影响到采煤机的截割性能和采煤效率，影响正常的采煤生产，同时也会影响到其他相关零部件的使用寿命。通过对采煤机截齿失效形式及其原因的分析，采取相应的改进措施，使截齿综合性能得到提高，使用寿命延长，满足当前煤矿采煤机械化下安全生产和高效生产的要求。
关键词：采煤机;截齿分析;优化
1 引言
采煤机是煤矿井下采煤的关键设备之一，我国大多数使用的是滚筒采煤机，采煤机上的截齿是截割煤岩块的主力零件。由于井下工况环境十分恶劣与复杂，突出坚硬煤岩体较多，所以采煤机滚筒失效时有发生。而且为了使对煤岩体的破坏力度达到最大，一般采用尖锐的滚筒截齿，这样会减轻截齿上的力，破碎煤岩体。采煤机截齿的采煤方式是通过旋转的方式，所以截齿磨损部位大都相同，为了保持截齿的尖锐性，滚筒一般采用的是自磨刃的方式。为了保持采煤机的高工作效率，还需对采煤机运行时截齿的受力进行分析，对其结构进行调整改进，从而提升采煤机工作性能。
2 截齿失效形式及原因分析
截齿是采煤机对煤岩进行截割的主要工具，它与煤岩直接接触做功，因而在采煤截割作业时，尤其是遇到煤层中坚硬物质时，截齿会承受比较大的剪切力和冲击荷载。继而使截齿发生磨损变形，刀头脱落，齿身折断等问题，导致截齿失效，具体分析，截齿失效的形式及原因主要有以下。
2.1 截齿磨损
①磨粒磨损是截齿磨损的主要形式，采煤机在截割煤岩的过程中，同时会产生一些大小不等且质地坚硬的磨粒，这些磨粒会在高强度压应力作用下压入齿面。久而久之则会造成截齿的磨损和钝化，在反复的塑性变形作用下还会使截齿表面材料产生裂纹，甚至脱落，使截齿强度下降;②疲劳磨损，截齿材质主要为低合金结构钢，截齿在截割作业过程中，长期间歇性的荷载冲击，循环应力作用，以及刀头温升交替下反复的热胀冷缩，都会使截齿硬度下降，产生金属疲劳，继而加快截齿磨損，增加断齿的风险;③腐蚀磨损，主要是井下环境中的水和煤层中一些硫化物等腐蚀介质，与截齿发生化学反应而造成的齿面腐蚀破坏。
2.2 截齿刀头脱落
截齿刀头为合金材质，焊接于齿体端部，采煤截割中由于较大的冲击力影响，刀头焊接部位会受到不同方向的应力作用。使用过程中当磨损达到一定程度时，由于焊缝或焊部缺陷处产生的应力集中问题，会使刀头无法克服应力而脱落，继而导致截齿完全失效。
2.3 刀头崩刃
当刀头在截割过程中遇到煤层中的坚硬物质时，齿刃遇到的切应力和压应力会突然增大，如果应力值超过刀头可承受的应力极限时，就会产生崩刃。崩刃会使刀头钝化，影响截割效率，并导致截割中刀头受到的阻力和应力增大，加快截齿失效。
2.4 齿身变形折断
截割煤岩过程中，刀头会受到应力变化，温度变化，冲击荷载和环境腐蚀等多方面问题的影响，进而使齿身因金属疲劳而发生弯曲变形甚至折断，而使截齿完全失效。
3 提升截齿可靠性的方法
截齿截割煤体时，截齿最常见的失效形式是磨损（磨粒磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损）。截齿材料是防止截齿磨损失效的有效方法。除了采用硬度较大的截齿，还得做好防护措施，如利用堆焊的方法加固表面。应用最广的就是激光熔覆和热图喷技术。当煤岩体硬度较大时，需选择具有良好韧性和塑性的截齿，当硬度较低时，截齿硬度也应相应的增加，从而来达到更好的截割效果。如果煤岩层节理和层理脆度较低时可选择镐形截齿，如果节理不脆时就得采用刀形截齿截割效果更好。另一个提升采煤机截割性能的就是调整采煤机滚筒合理的截齿安装角度。主要包含冲击角、倾斜角和歪斜角。由于冲击部位不断受到煤岩体的冲击，所以一般固定冲击角，角度设置在40°～50°之间。采煤机滚筒截齿的截割阻力与截齿冲击角的变化成反比，即冲击角增大，截割阻力减小。与歪斜角和倾斜角成正比，歪斜角增大，截割阻力也增大。在进行截齿设计时，要充分利用摩擦力学的相关知识，使得滚筒截齿与煤岩体之间的摩擦力最低，减少滚筒截齿的磨损程度。而且在遇到极薄煤层时，需要重新设置滚筒截齿参数，来更好地切割极薄煤层，避免因为截齿与煤体摩擦过度，而导致截齿失效。这样不仅保护了了截齿的齿尖，增强了截割性能，也延长了截齿的使用时间。
4 采煤机截齿失效的防治措施
4.1 合理选择截齿
矿用截齿的选择首先必须保证其具有足够的强度和韧性，同时还要具有良好的耐磨性和耐腐蚀性，因此，截齿材料性能非常关键。采煤机截齿常选用42CrMo、35CrMnSi、Si—Mn—Mo系准贝氏体钢等钢种作为齿身材料。此外不同结构特征的截齿，其力学性能也有很大的差异，采煤机中常用的有刀型截齿和镐型截齿，在实际生产中应根据煤岩的物理机械性质合理选用。一般对于韧性较大，节理不发达的软质煤层宜选用硬度较高的刀型截齿;而对于较为硬、脆的煤层较适用韧性较好的镐型截齿。
4.2 采用表面强化技术
磨损和腐蚀是导致截齿失效的最主要原因，因此为了提高截齿寿命，降低断齿风险，除了选用合适材料外，还应采取各种表面强化技术以提高截齿的耐磨性，耐腐蚀性等理化性能。采煤机截齿常用的表面强化技术有等离子熔覆、激光熔覆、热喷涂、堆焊等，可使截齿表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性和抗氧化性等各类性能显著改善，提高设备使用寿命和截割效率，从而适应恶劣井下环境中高强度的采煤作业。
4.3 优化截齿安装角度
截齿安装角度的不同可影响其在采煤截割中的受力情况，因此截齿安装角度对于采煤机截割性能和截齿使用寿命都有着重要影响。截齿安装角度一般有歪斜角、倾斜角和冲击角，通过生产实践研究发现，截齿歪斜角、倾斜角增大，截割阻力和截齿磨损也会加剧;冲击角增大，则截割阻力和磨损会相应减小。因此在生产中截割深度一定时，可通过增大安装角度来降低摩擦力和阻力，但安装角度也不可过大，以免影响正常截割。这就需要我们在生产实践中不断加以研究总结和设计优化，以根据煤层情况采用最合适截齿安装角度。
5 结束语
采煤机截齿失效的形式有很多，且原因比较复杂，涉及到机械学、材料学、热力学等多个学科知识。对于煤层开采中截齿过快磨损和失效的问题，应从多方面综合考虑，通过合理选择截齿，表面强化，优化安装角度等措施加以解决。从而提高截齿使用寿命，保证采煤机的正常使用，减少因截齿失效而造成的损失。
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