任 斌

（陽(yáng)泉陽(yáng)煤集團(tuán)有限責(zé)任公司三礦機(jī)電工區(qū)， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

煤炭是我國(guó)使用最廣泛的燃料之一，雖然我國(guó)能源結(jié)構(gòu)有所調(diào)整，但是煤炭仍然將作為重要的化工原材料存在。采煤機(jī)鼓和采煤頭的切割頭是煤炭開(kāi)采過(guò)程中使用的主要部件，消耗了80%～90%的采煤機(jī)功率。在采礦過(guò)程中安排在螺旋鼓和切割頭上的錐形鎬反復(fù)與煤炭相互作用，經(jīng)常發(fā)生變形和磨損。

1 挖掘機(jī)錐齒挖掘中磨損的相關(guān)研究

切割頭的工作條件非常惡劣，整個(gè)開(kāi)采復(fù)雜且強(qiáng)度極大。其通常由硬質(zhì)合金刀頭，鎬體和鎬柄組成，安裝在刀柄上，如圖1所示，并用彈簧法蘭將其固定。

圖1 來(lái)自德國(guó)WAZE等人建立的挖掘機(jī)錐齒模型

其用于在撿拾器焊接時(shí)打破煤巖切割頭。在高溫壓條件下錐形選擇影響工作效果，這往往是導(dǎo)致失敗工作失效的主要因素之一。許多研究人員越來(lái)越重視切割頭失效的表現(xiàn)，并指出這一點(diǎn)失效形式主要包括過(guò)早磨損，硬質(zhì)合金刀頭脫落，傾翻，斷裂和正常磨損。其中，由于正常磨損，過(guò)早磨損和硬質(zhì)合金刀頭掉落等磨損失敗，約占故障的75%[1]。

為了研究錐形鎬在使用過(guò)程中如何磨損，一方面，研究人員正在逐步通過(guò)模擬和實(shí)驗(yàn)研究鎬切割煤巖的負(fù)載。對(duì)于仿真，研究人員主要使用有限元法和離散元素方法。為了進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究人員建立了不同的測(cè)試裝置，例如煤巖切割試驗(yàn)臺(tái)，自動(dòng)旋轉(zhuǎn)煤/巖石切割模擬器（ARCCS），單切切割試驗(yàn)臺(tái)，全尺寸切割鉆機(jī)和重建試驗(yàn)裝置。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，并非所有挑選的切割頭都會(huì)產(chǎn)生過(guò)載，并且對(duì)負(fù)載導(dǎo)致的磨損研究較小。這是選擇磨損機(jī)制曝光不足的主要原因[2]。另一方面，研究人員正在逐步開(kāi)展更多的研究來(lái)直接挑選磨損切割頭。在多次切削試驗(yàn)中主要研究鎬的磨損類(lèi)型。在這些條件下，挑選只有一些表面劃痕輕微磨損，并且測(cè)試的磨損質(zhì)量損失小于1 mg。由于嚴(yán)重的局限性，這個(gè)結(jié)果研究還不足以顯示切割頭的磨損特征。挑選磨損特征應(yīng)該包括挑選在切割過(guò)程中磨損對(duì)磨損狀態(tài)以及切割性能的影響。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)該研究鎬削類(lèi)型，結(jié)構(gòu)和工作角參數(shù)對(duì)鎬磨損的影響采用實(shí)驗(yàn)裝置切割煤巖，分析切削磨損對(duì)切削性能的影響為減少切齒磨損提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2 挖掘機(jī)錐齒挖掘中磨損的實(shí)驗(yàn)方法

在煤巖切割試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以模擬圓錐形切割煤巖的過(guò)程。試驗(yàn)臺(tái)包括主、輔傳動(dòng)系統(tǒng)，切割裝置，液壓控制系統(tǒng)和信號(hào)采集系統(tǒng)。主傳輸系統(tǒng)用于導(dǎo)致切割設(shè)備旋轉(zhuǎn)。電機(jī)功率為30 kW，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以控制在0～180 r/min之間以改變切割速度?？梢酝苿?dòng)切割裝置來(lái)改變切割寬度，由液壓系統(tǒng)控制。副傳動(dòng)系統(tǒng)用于移動(dòng)煤巖[3]。

該運(yùn)動(dòng)通過(guò)驅(qū)動(dòng)齒條裝置的液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且其速度可以被控制在內(nèi)0～10 m/min以改變進(jìn)給速度。作為設(shè)計(jì)的切割設(shè)備包括端板，輪轂，卡盤(pán)和拾取裝置。本研究在沒(méi)有考慮圓錐形鎬自轉(zhuǎn)性能的情況下進(jìn)行，以確定鎬影響切削磨損的類(lèi)型，結(jié)構(gòu)和工作角度參數(shù)。挑選期間不應(yīng)該在挑桿架上旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，因此撬固定塊被設(shè)計(jì)為限制鎬的旋轉(zhuǎn)。本文主要關(guān)注配置參數(shù)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)不同類(lèi)型的煤巖沒(méi)有進(jìn)一步分析。根據(jù)以前模仿煤巖的成功案例，水泥和沙子被用作基礎(chǔ)材料模擬煤巖，質(zhì)量比例分別為1∶2。模擬的煤巖具有強(qiáng)烈的均質(zhì)性，可以消除次要因素的影響，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更可靠。單軸模擬煤巖的抗壓強(qiáng)度大約為20～25 MPa，抗拉強(qiáng)度約為2 MPa。模仿樣品在一個(gè)位移處分裂0.75 mm，發(fā)生局部峰化，這與天然巖石的脆性相似。與應(yīng)力曲線相比較結(jié)果表明模擬煤巖可以用來(lái)準(zhǔn)確模擬自然界的特征巖。

3 結(jié)果與討論

3.1 切割類(lèi)型對(duì)磨損的影響

對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)切割類(lèi)型是切割頭上的鎬和切縫所使用的兩種主要切割類(lèi)型。本文對(duì)選擇的切口創(chuàng)建了一個(gè)自由曲面，用于下一個(gè)切割，并由相鄰的選取點(diǎn)組成切割創(chuàng)造切口II可以被視為不對(duì)稱(chēng)的切割過(guò)程。煤的反應(yīng)作用于兩者切割頭的邊緣，導(dǎo)致切割頭的力量平衡。創(chuàng)建切口III的切割可視為對(duì)稱(chēng)切割處理。

為了研究切削類(lèi)型對(duì)切削磨損的影響，選擇了普通切削，并且硬質(zhì)合金刀尖的高度為18.6 mm；碳化物尖端的錐角為80°；拾取體的頭部直徑為24mm。傾斜角度和切割角度分別為0°和40°。通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)頻率將切割設(shè)備的轉(zhuǎn)速設(shè)置為150 r/min；煤巖的移動(dòng)速度為1.5 m/min，在此之下挖掘的最大切削深度為1 cm條件。圖2顯示了在對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)切割類(lèi)型下具有磨損的鎬的宏觀輪廓。

圖2 在對(duì)稱(chēng)和不對(duì)稱(chēng)切割類(lèi)型下磨損的宏觀輪廓

如圖2所示，截齒在不對(duì)稱(chēng)切割類(lèi)型下僅在一側(cè)上磨損，而在兩側(cè)對(duì)稱(chēng)下表明非對(duì)稱(chēng)切割類(lèi)型下的磨損質(zhì)量損失是對(duì)稱(chēng)切割類(lèi)型下的磨損質(zhì)量損失的一半，并且提高了工作壽命。上面的分析是在沒(méi)有考慮圓錐形鎬的自轉(zhuǎn)性能的情況下進(jìn)行的。但是，扭矩在實(shí)際工作的切割過(guò)程中，由于切割軸上的負(fù)載不平衡而導(dǎo)致圓錐形切齒旋轉(zhuǎn)條件。這可以從圖2中的兩種切割類(lèi)型下的挑選磨損看出，其中鎬上不對(duì)稱(chēng)的切割類(lèi)型的負(fù)載必須不平衡，并且選擇具有自旋旋轉(zhuǎn)的潛力。當(dāng)在非對(duì)稱(chēng)剪切類(lèi)型下觀察采摘側(cè)的磨損時(shí)，可以確定采煤與煤巖相互作用的摩擦方向。磨損形成與拾取軸成一定角度，這表明摩擦力可以沿拾取軸及其垂直方向分解，沿著垂直方向分解的力可能導(dǎo)致鎬轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，在非對(duì)稱(chēng)切割類(lèi)型下切割頭者的自旋能力將明顯降低磨損。

3.2 扒體的頭部直徑對(duì)磨損的影響

堆焊焊接鎬已被用于解決由于切割過(guò)程中的磨損而引起的剔除問(wèn)題。一個(gè)正常的選擇和堆焊焊接接頭如圖3所示。從圖3可見(jiàn)，堆焊的基本目的是增加焊接面鎬體的直徑及其抗磨損能力。雖然鎬體與煤巖相互作用，但鎬可以長(zhǎng)時(shí)間使用。因此，是否要實(shí)現(xiàn)焊接堆焊的基本目標(biāo)應(yīng)該被討論。

圖3 正常堆焊焊接

通過(guò)改變拾取體的頭部直徑來(lái)模擬拾取結(jié)構(gòu)變化堆焊，以及這種變化對(duì)鎬磨損的影響進(jìn)行了研究。挑選體的頭部直徑被選擇為根據(jù)撿拾體厚度的增加，其厚度為 20 mm，22 mm，24 mm，26 mm和 28 mm，該行業(yè)目前使用的堆焊焊接。切割裝置的傾斜角度，切割角度，旋轉(zhuǎn)速度，煤巖的運(yùn)動(dòng)速度保持不變。采摘對(duì)稱(chēng)采用對(duì)稱(chēng)切割方式，而宏觀則采用對(duì)稱(chēng)切割方式在相同的切削時(shí)間下，截齒不同頭面直徑下的截齒輪廓如圖4所示。

圖4 錐齒不同頭面直徑下磨損的宏觀特征

從圖4可以看出，拾取體的磨損面積隨著拾取體的頭部直徑而增加，幾乎沒(méi)有當(dāng)頭部直徑為20 mm時(shí)，在撿拾體上磨損。這表明頭面直徑越小更容易使鎬體避免干擾煤巖；否則，一個(gè)大的鎬身頭部會(huì)磨損硬質(zhì)合金刀頭，這表明其不能避免硬質(zhì)合金刀頭脫落。此外，經(jīng)過(guò)堆焊之后鎬體的表面硬度（HRC）普遍達(dá)到了62，根據(jù)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于硬度（HRC）85。因此，鋪面后的鎬體焊接比碳化物尖端磨損更快，并且其不能幫助硬質(zhì)合金尖端切割煤巖。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)挖掘機(jī)錐齒挖掘中磨損的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了測(cè)試研究，但是，在生產(chǎn)中由于其工作環(huán)境的特異性，還需要進(jìn)一步的研究與分析，這也是相關(guān)研究人員未來(lái)研究的重要內(nèi)容。