1.1采煤機(jī)的主要組成部分

采煤機(jī)的類型很多，但基本上以雙滾筒采煤機(jī)為主，其基本組成部分也大體相同。各種類型的采煤機(jī)一般都由下列部分組成。
 
  圖1 雙滾筒采煤機(jī)
1—電動機(jī)；2—牽引部；3—牽引鏈；4—截割部減速器；
5—搖臂；6—滾筒；7—弧形擋煤板；8—底托架；9—滑靴；
10—調(diào)高油缸；11—調(diào)斜油缸；12—拖纜裝置；13—電氣控制箱
（1）截割部
截割部的主要功能是完成采煤工作面的截煤和裝煤，由左、右截割電機(jī)，左、右搖臂減速箱，左、右滾筒，冷卻系統(tǒng)，內(nèi)噴霧系統(tǒng)和弧形擋板等組成。截割部耗能占采煤機(jī)裝機(jī)總功率的80%-90%，因此，研制生產(chǎn)效率高和比能耗低的采煤機(jī)主要體現(xiàn)在截割部。
傳動裝置：
截割部傳動裝置的作用是將采煤機(jī)電動機(jī)的動力傳遞到滾筒上，以滿足滾筒轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩的要求；同時，還應(yīng)具有調(diào)高功能，以適應(yīng)不同煤層厚度的變化。
截割部的傳動方式主要有一下幾種：
a）、電動機(jī)-搖臂減速箱-行星齒輪減速箱-滾筒
b）、電動機(jī)-固定減速箱-搖臂減速箱-滾筒
c）、電動機(jī)-固定減速箱-搖臂減速箱-行星齒輪減速箱-滾筒
d）、電動機(jī)-搖臂減速箱-滾筒
螺旋滾筒：
螺旋滾筒是采煤機(jī)落煤和裝煤的工作機(jī)構(gòu)，對采煤機(jī)工作起決定性作用，消耗總裝功機(jī)率的80%-90%。早期的螺旋滾筒為鼓型滾筒，現(xiàn)代采煤機(jī)都采用螺旋滾筒。螺旋滾筒能適應(yīng)煤層的地質(zhì)條件和先進(jìn)的采煤方法及采煤工藝的要求，具有落煤、裝煤、自開切口的功能。近些年來出現(xiàn)了一些新的截割滾筒，諸如滾刀式滾筒、直線截割式三角形滾筒、截楔盤式滾筒等。
滾筒由螺旋葉片由螺旋葉片、端盤、齒座、噴嘴、筒轂及截齒組成。
（2）牽引部
采煤機(jī)的牽引部是采煤機(jī)的重要組成部分，它不但負(fù)擔(dān)采煤機(jī)工作時的移動和非工作時的調(diào)動，而且牽引速度的大小直接影響工作機(jī)構(gòu)的效率和質(zhì)量，并對整機(jī)的生產(chǎn)能力和工作性能產(chǎn)生很大的影響。
牽引部由牽引傳動裝置和牽引機(jī)構(gòu)兩大部分組成。傳動裝置的重要功能是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，即將電動機(jī)的電能轉(zhuǎn)換為傳動主鏈輪或者驅(qū)動輪的機(jī)械能。牽引機(jī)構(gòu)是協(xié)助采煤機(jī)沿采煤工作面行走的裝置。傳動裝置裝于采煤機(jī)本身為內(nèi)牽引，裝在采煤機(jī)工作面兩端的為外牽引。絕大部分的采煤機(jī)采用內(nèi)牽引，僅在薄煤層中為了縮短機(jī)身長度才采用外牽引。隨著高產(chǎn)高效工作面的出現(xiàn)以及采煤機(jī)功率和牽引力的增大，為了工作面更加安全可靠，無鏈牽引機(jī)構(gòu)逐漸取代了有鏈牽引。
（3）電氣系統(tǒng)
電氣系統(tǒng)包括電動機(jī)及其箱體和裝有各種電氣元件的中間箱（連接筒）。該系統(tǒng)的主要作用是為采煤機(jī)提供動力，并對采煤機(jī)進(jìn)行過載保護(hù)及控制其動作。
（4）輔助（附屬）裝置
輔助裝置包括擋煤板、底托架、電纜拖曳裝置、供水噴霧冷卻裝置，以及調(diào)高、調(diào)斜等裝置。該裝置的主要作用是同各主要部件一起構(gòu)成完整的采煤機(jī)功能體系，以滿足高效、安全采煤的要求，改善采煤機(jī)的工作性能。
MG500/1130-WD 型電牽引采煤機(jī)，屬多部電機(jī)橫向布置形式。整機(jī)由左、右牽引部，左、右截割部，左、右行走部及電控箱組成，電氣控制系統(tǒng)、液壓傳動系統(tǒng)及噴霧冷卻系統(tǒng)組成機(jī)器的控制保護(hù)系統(tǒng)。
左、右牽引部、電控箱通過一組連接絲杠，形成剛性聯(lián)接，左、右牽引部分別與電控部的左、右端面干式對接。兩行走部分別固定在左、右牽引部的箱體上。牽引部與電控部對接面用圓柱銷定位，高強(qiáng)度T形螺栓和螺母聯(lián)接。
截割部為整體彎搖臂結(jié)構(gòu)，即截割電機(jī)、減速器均設(shè)在截割機(jī)構(gòu)減速箱上，與牽引部鉸接和調(diào)高油缸鉸接，油缸的另一端鉸接在牽引部上，當(dāng)油缸伸縮時，實現(xiàn)搖臂升降。支承組件固定在左、右牽引部上，與行走箱上的導(dǎo)向滑靴一起承擔(dān)整機(jī)重量。

1.2采煤機(jī)的工作原理

單滾筒采煤機(jī)的滾筒一般位于采煤機(jī)下端，以使?jié)L筒割落下的煤不經(jīng)機(jī)身下部運走，從而可降低采煤機(jī)機(jī)面（由底板到電動機(jī)上表面）高度。單滾筒采煤機(jī)上行工作時，如圖2（a）所示，滾筒割頂部煤并把落下的煤裝入刮板輸送機(jī)，同時跟機(jī)懸掛鉸接頂梁，割完工作面全長后，將弧形擋煤板翻轉(zhuǎn)180°；接著，機(jī)器下行工作，如圖2（b）所示，滾筒割底部煤及裝煤，并隨之推移工作面輸送機(jī)。這種采煤機(jī)沿工作面往返一次進(jìn)一刀的采煤法叫單向采煤法。
雙滾筒采煤機(jī)工作時，如圖2（c）所示，前滾筒割頂部煤，后滾筒割底部煤。因此雙滾筒采煤機(jī)沿工作面牽引一次，可以進(jìn)一刀；返回時又可以進(jìn)一刀，即采煤機(jī)往返一次進(jìn)二刀，這種采煤法稱為雙向采煤法。
 
圖2 滾筒采煤機(jī)的工作原理

第二章  截割機(jī)構(gòu)與煤層特性

2.1  截割機(jī)構(gòu)

    截割機(jī)構(gòu)由左右搖臂、 左右滾筒組成，其主要功能是完成采煤工 作面的落煤，向工作面運輸機(jī)裝煤和噴霧降塵。左、右搖臂內(nèi)各裝有 一臺 200kW(250kW)(300kW)截割電機(jī)，其動力通過三級直齒輪減速和 一級行星齒輪減速傳給出軸方法蘭驅(qū)動滾筒旋轉(zhuǎn)。 
搖臂減速箱設(shè)有離合裝置、冷卻潤滑裝置、噴霧降塵裝置等
搖臂減速箱為整體彎搖臂型式，除機(jī)殼外，其余零組件左、右通 用。左右搖臂減速箱殼體與左右牽引部機(jī)殼鉸接，左右搖臂的小支臂 與左右調(diào)高油缸鉸接，通過調(diào)高油缸實現(xiàn)搖臂的升降。搖臂和滾筒之 間采用方榫聯(lián)接。 
截割機(jī)構(gòu)主要由截割電機(jī)、 搖臂減速箱、滾筒等組成，機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè) 有冷卻系統(tǒng)，內(nèi)噴霧等裝置。 
截割電機(jī)直接安裝在搖臂箱體內(nèi)，機(jī)械減速部分全部集中在搖臂 箱體及行星機(jī)構(gòu)內(nèi)。搖臂通過銷軸與牽引部機(jī)殼鉸接，其小支臂與安 裝在牽引部上的調(diào)高油缸之活塞桿鉸接，通過油缸的伸縮，實現(xiàn)截割 滾筒的升降。 
截割機(jī)構(gòu)具有以下特點: 
(1) 搖臂的回轉(zhuǎn)采用鉸軸結(jié)構(gòu)，沒有機(jī)械傳動。 
(2) 搖臂減速箱機(jī)械傳動都是簡單的直齒輪傳動，結(jié)構(gòu)簡單，傳 動效率高。 
(3) 截割電機(jī)和搖臂主動軸齒輪之間，采用細(xì)長扭矩軸聯(lián)接，可 補(bǔ)償電機(jī)和搖臂主動軸齒輪安裝位置的小量誤差，在扭矩軸上設(shè)有 V 型剪切槽， 受到較大的沖擊載荷時，剪切槽切斷，對截割傳動系統(tǒng)的 齒輪和軸承及電機(jī)起到保護(hù)作用。 
(4) 搖臂機(jī)殼內(nèi)外均設(shè)有水道，在外噴霧降塵的同時，對搖臂減 速箱起到冷卻作用。 
(5) 搖臂行星傳動 與臂身直齒輪傳動分油池潤滑，保證了行星頭 部分 的潤滑，整個傳動系統(tǒng)潤滑效果好。 
(6) 搖臂減速箱內(nèi)的傳動件及結(jié)構(gòu)件的機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計有較大的 

2.2  煤層特性

1 煤層的厚度  
薄煤層             煤層厚度從最小可采厚度至1.3m
  中厚煤層            煤層厚度1.3m至3.5m 
厚煤層             煤層厚度3.5m以上 
2煤層的穩(wěn)定性 
穩(wěn)定煤層、較穩(wěn)定煤層、不穩(wěn)定的煤層、極不穩(wěn)定煤層。1.3煤層的傾角 
緩斜煤層0°～25°
傾斜煤層25°～45° 
急斜煤層45°～90° 
通常又把8°以下的煤層稱為近水平煤層。
3.煤層頂?shù)装鍘r石 
煤層頂?shù)装鍘r石是指煤系中位于煤層上下一定距離內(nèi)的巖層。按照沉積的次序，在正常情況下，先于煤生成的巖石是煤層的底板，較煤后生成的巖層叫做頂板。 
4.地質(zhì)構(gòu)造對煤層的影響 
地質(zhì)構(gòu)造的形態(tài)多種多樣，概括起來可分為單斜構(gòu)造、褶曲構(gòu)造和斷裂構(gòu)造。巖層的空間位置及特征通常用產(chǎn)狀要素來描述。產(chǎn)狀要素有走向、傾向和傾角。根據(jù)斷層兩盤相對運動的方向，斷層分為：正斷層、逆斷層、平推斷層。 
 
 
第三章采煤機(jī)截齒的工作特性

3.1 采煤機(jī)截齒的工作狀態(tài) 

截齒分刀形截齒（徑向截齒）和鎬形截齒（切向截齒）兩種。其中應(yīng)用最廣的是鎬形截齒。傳統(tǒng)的兩類截齒的共同特點都是在截齒前端中心孔中鑲嵌硬質(zhì)合金頭，硬質(zhì)合金頭用釬焊的方法鑲焊在刀體頭部。刀型截齒成本高，制造、拆裝不方便。鎬形截齒因其刀柄安裝方向接近滾筒的切線，故又稱為切向截齒。其刀柄部分為圓柱形，用彈簧圈固定在齒座中，拆裝極為方便。結(jié)構(gòu)簡單，能點擊刨煤，吃刀深度大，在工作中能自動磨銳而經(jīng)常保持齒頭鋒利，采煤機(jī)負(fù)荷較平穩(wěn)，因而較刀齒能耗小、壽命長，且煤塵量小、塊煤量大，適于在硬煤中使用。 
煤的切削破碎過程是采煤機(jī)的一個主要工作過程。為便于說明切削過程基本規(guī)律，將切削破碎過程，大致分為四個階段：變形階段，裂紋階段，壓實核形成階段，裂紋擴(kuò)展及崩裂階段。上述煤巖截割破碎過程是把截齒切入煤體到切下大塊煤作為一個循環(huán)。從宏觀上看，整個煤炭切削過程，就是這4個過程的循環(huán)。在每一個循環(huán)中，4個過程都是瞬間完成的。如果把4個過程按特征來劃分，還可以簡化成兩個階段，兩種形式的斷裂。第一個階段是經(jīng)過彈、塑性變形，形成裂紋和形成壓實核的儲能階段，這是第一種裂紋形式的斷裂；第二個階段為崩裂階段，是在第一個階段的基礎(chǔ)上，由錐孔周圍赫茲裂紋，在懸臂梁加載系統(tǒng)的作用下沿煤巖體內(nèi)層理、節(jié)理弱面擴(kuò)展、崩落，是崩裂形式的斷裂。故可把鎬形截齒破煤過程看成是兩個階段周期性交變過程。 工作過程中截齒與煤層直接接觸，其磨粒磨損特性與煤層結(jié)構(gòu)及硬度有很大關(guān)系，煤的硬度較低，一般為100-420HV，但由于煤層中常會有不同硬度的雜質(zhì)，硬度很高，比如煤中的石英、煤矸石和菱鐵礦等，其硬度為900-1100HV，對截齒的磨損失效影響很大。 
截齒經(jīng)長時間切削煤層，磨損產(chǎn)生大量熱量，使齒體表面產(chǎn)生600-800°C的高溫，而截齒切削煤層又是周期性的回轉(zhuǎn)運動，故升溫是交變的。當(dāng)截齒接觸煤巖時升溫，離開煤巖時降溫，這就造成截齒的高溫回火，其硬度值下降50%左右，加速降低了截齒的壽命；截齒在切割煤層時，承受高的壓應(yīng)力，剪切應(yīng)力和沖擊負(fù)荷；由于井下環(huán)境介質(zhì)的腐蝕作用，截齒的磨損還有一定的腐蝕磨損，在水煤漿腐蝕磨損中，除煤粒及硬礦物對材料表面造成的犁溝外，介質(zhì)的腐蝕作用也大大加劇了材料的磨損。

3.2采煤機(jī)截齒的失效形式及原因 

 （1）硬質(zhì)合金頭脫落 
當(dāng)截齒磨損到一定程度后，其齒尖的硬質(zhì)合金（刀形齒為合金片，鎬形齒為合金頭）將脫落。刀頭脫落的原因主要有2個方面： 
    （a）釬焊質(zhì)量問題。如焊接處存在夾砂、微裂紋以及虛焊等缺陷。截齒釬焊焊縫間隙的大小是影響焊縫致密性和焊縫強(qiáng)度的關(guān)鍵因素。如果間隙太小，會妨礙釬焊料流入。而間隙過大，則又會破壞釬焊縫的毛細(xì)管作用，使釬料不能填滿焊縫間隙。截齒的釬焊是鋼與硬質(zhì)合金的異種材料焊接，考慮硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)是鋼的1/2-1/3，因此釬焊縫間隙應(yīng)比鋼對鋼焊接時稍小。通過對幾種不同間隙焊縫的試驗研究，結(jié)果表明，截齒釬焊縫間隙以0.09-0.16mm為宜。另外合金頭和截齒體孔最好采用錐面配合，以保證硬質(zhì)合金刀頭周圍焊縫間隙均勻一致。 
（b）截齒在截到煤巖時承受的強(qiáng)大沖擊負(fù)荷，致使缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中，反復(fù)的沖擊，必然導(dǎo)致合金刀頭的松動，直致脫落。脫落硬質(zhì)合金刀頭的截齒已經(jīng)完全失效。 
 （2）硬質(zhì)合金頭碎裂(崩刃) 
截齒截割煤巖時在沖擊載荷的作用下，刀頭處于高壓應(yīng)力狀態(tài)。若遇到煤巖中堅硬的礦料，在齒刃與煤巖接觸不良處承受高的剪應(yīng)力，處于拉應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)拉應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度極限時即發(fā)生碎裂，對于刀形齒來說表現(xiàn)為合金片的斷裂，而鎬形齒為鑲嵌刀尖的折斷。造成硬質(zhì)合金頭碎裂的原因主要有兩個方面：一是硬質(zhì)合金中含有石墨雜質(zhì)，晶粒分布不均勻,部分合金中有裂紋；二是硬質(zhì)合金壓制工藝比較落后，合金上下密度差大、孔隙多、硬度低。合金刀頭碎裂崩刃后，截齒缺乏銳利的合金齒尖，使截割阻力劇增，直接影響生產(chǎn)效率的提高，且加劇了截齒的磨損。 
（3）截齒的磨損 
（a）磨粒磨損 
截齒在工作過程中，磨粒（煤矸石等）與截齒表面間產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力，帶有銳利棱角并具有合適的迎角的磨粒能切削截齒表面形成顯微切削；如果磨粒不夠尖銳或刺入截齒表面角度不適當(dāng)，則在截齒表面擠出犁溝，隨著截齒工作時間的延長，磨粒反復(fù)對截齒表面推擠，產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形流動，使得表面下層塑性發(fā)生相互作用，導(dǎo)致塑變區(qū)內(nèi)位錯密度增加，變形材料表面產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展，截齒表面形成薄片狀磨屑。而且煤層中存在腐蝕性介質(zhì)與截齒表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而造成表面材料腐蝕，機(jī)械性能下降，并使表層金屬與基體材料結(jié)合力降低，加快了截齒材料表層的磨損。 
（b）熱疲勞磨損 
截齒截割煤巖時，由于磨損熱使刀頭磨損表面產(chǎn)生600-800°C的高溫，而截齒截割煤巖是周期性的回轉(zhuǎn)運動，故升溫是交變的，當(dāng)?shù)额^接觸煤巖時升溫,離開煤巖時降溫，使截齒齒頂產(chǎn)生高溫回火，其組織一般為回火索氏體和鐵素體，其硬度下降50%，加速了截齒的磨損。由于截齒表層溫度的不斷變化，材料表層進(jìn)一步軟化，導(dǎo)致塑變區(qū)內(nèi)出現(xiàn)波浪式塑性流動和位錯密度增加，反復(fù)的彈塑變形，又使位錯集中，繼而在表層出現(xiàn)橫向微裂紋。大量的調(diào)研表明，各礦用截齒的失效各不相同，軟質(zhì)煤或夾矸少的各礦，截齒失效以多次磨損為主，硬質(zhì)煤或夾矸多的各礦多以合金頭崩碎、丟失和桿斷為主。 
（4）齒身彎曲 
當(dāng)截齒承受很大的外力時，導(dǎo)致截齒的結(jié)構(gòu)尺寸、剛度、布置方式等方面發(fā)生變化，引起齒身彎曲。齒身彎曲多發(fā)生在徑向布置（彎矩較大）的刀形齒上。齒身彎曲后，截齒受力狀態(tài)改變，就不能很好地完成截割任務(wù)。 
（5）齒身折斷 
由于截齒齒身強(qiáng)度不足，截齒截割堅硬巖石或包裹體夾雜物時，載荷加大，超過截齒許用強(qiáng)度時就容易引起齒身折斷。 
（6）截齒丟失 
在實際使用過程中，截齒的丟失現(xiàn)象也是普遍存在的問題。截齒丟失的主要原因在于：截齒固定不可靠或固定裝置磨損等等。 
 
 

3.3 截齒綜合性能標(biāo)準(zhǔn) 

在采煤工況條件下，截齒齒體材料的硬度和韌性是同樣重要的兩項指標(biāo)。硬度太高，韌性就太低，容易產(chǎn)生脆性失效；硬度太低，則容易產(chǎn)生折彎偏彎，只有良好的強(qiáng)韌性結(jié)合，才能保持截齒正常使用。下表是礦用截齒綜合性能的國家標(biāo)準(zhǔn)。 
表1.1  礦用截齒綜合性能的國家標(biāo)準(zhǔn) 

項目	頭部硬度 （HRC）	柄部硬度（HRC）	沖擊韌性（J/cm2）	焊縫抗剪強(qiáng)度（MPa）
標(biāo)準(zhǔn)值	≥40	40-45	≥49	≥180

 
 
 
 
第四章  國內(nèi)現(xiàn)用截齒的狀況

4.1截齒刀體常用材質(zhì)

截齒在切割煤巖時承受高的周期性壓應(yīng)力、切應(yīng)力和沖擊負(fù)荷,煤的硬度雖不很高,但其中經(jīng)常會遇到煤殲石等硬的礦料,切割煤巖過程中由于摩擦、沖擊還會造成截齒溫度升高,在如此復(fù)雜工況條件下工作的截齒,就要求其刀體既要耐磨又應(yīng)具有較好的耐沖擊性能。截齒刀體一般采用低合金結(jié)構(gòu)鋼制造。
從國內(nèi)部分煤礦實際使用的進(jìn)口、國產(chǎn)的截齒來看,刀體材質(zhì)多為42CrMo、35CrMnsi等鋼種,也有煤礦在采用國內(nèi)新研制的Si一M”一MO系準(zhǔn)貝氏體鋼。
42CrMo鋼強(qiáng)度高、淬透性高、韌性好、淬火變形小、在高溫時有高的蠕變和持久強(qiáng)度等特點。42CrMo鋼經(jīng)熱處理后,有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力,低溫沖擊韌性良好。
35CrMnsi鋼也是淬透性較好的材質(zhì),經(jīng)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗罂傻玫綇?qiáng)度、硬度、韌性和疲勞強(qiáng)度較好的綜合力學(xué)性能,能適應(yīng)采煤生產(chǎn)較復(fù)雜的工況條件。
Si一Mn一MO系準(zhǔn)貝氏體鋼是國內(nèi)科研單位研制的新型截齒刀體材料的一種,其特點是經(jīng)過合金成分的合理設(shè)計,使材質(zhì)具有較好的熱處理工藝性能,熱處理后使鋼的強(qiáng)度、韌性、耐磨性能滿足截齒力學(xué)性能要求。
能夠適合截齒工況條件的鋼種還有很多,截齒制造過程中可根據(jù)截齒種類及具體工況選擇合適的截齒刀體材質(zhì)。

4.2 截齒齒體材料的選用 

根據(jù)對截齒的基本要求，國內(nèi)齒體材料普遍采用具有良好鍛造性能的優(yōu)質(zhì)合金鋼，如20CrMnTi、35CrMnSi和42CrMo。從發(fā)展角度看，對齒體材料不作硬性規(guī)定是合理的，僅要求齒體鋼材的機(jī)械性能和化學(xué)成分符合(GB3077-82)規(guī)定，熱處理后的硬度達(dá)到40-45HRC即可。 
（1）20CrMnTi作為截齒齒體材料，有較高的淬透性和心部硬度，其心部極限強(qiáng)度在800-1200MPa之間，鍛造溫度區(qū)大，容易精鍛成型且成品率高。20CrMnTi鋼的Acl、Ac3分別為735°C、840°C左右，隨著淬火溫度的逐步升高，鋼的組織發(fā)生明顯的變化。740-760°C淬火時，組織中存在大量鐵素體，由于鐵素體量相對較多，一般呈大塊狀，晶粒粗大，鐵素體晶粒之間彼此相連。提高淬火溫度，可使組織中鐵素體含量降低，但鐵素體形態(tài)未改變，仍為大塊狀。760-800°C之間淬火，隨著淬火溫度的提高，鐵素體的量進(jìn)一步減少，彼此之間不再相連，鐵素體晶粒也由塊狀變成細(xì)片狀。淬火溫度接近其Ac3臨界點時，淬火后其組織中鐵素體含量已非常少，細(xì)小的鐵素體只能呈彼此孤立的孤島狀分布。當(dāng)淬火溫度超過其上臨界溫度后直至930°C，組織中已無鐵素體，為正常的淬火組織，但隨著淬火溫度的提高，晶粒大小會發(fā)生變化。20CrMnTi鋼經(jīng)不同溫度淬火后的硬度值的變化反映出其內(nèi)部組織的改變。 
（2）35CrMnSiA是高強(qiáng)度鋼，在等溫條件下預(yù)處理，可獲得強(qiáng)度、塑性、韌性合理的分配。要滿足煤炭部截齒生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，熱處理工藝必須為等溫淬火。目前，國內(nèi)35CrMnSiA鋼制造的截齒齒體多采用880°C淬火，240°C回火的熱處理工藝。隨著等溫時間的延長，抗拉強(qiáng)度緩慢下降，塑性上升，出現(xiàn)這種變化的主要原因是經(jīng)不同時間的等溫淬火后，組織中馬氏體和貝氏體相對量不同，等溫時間較短時，馬氏體所占比例大，隨著等溫時間的延長，貝氏體量增加，故強(qiáng)度隨等溫時間的延長呈下降趨勢。等溫5min左右，貝氏體和馬氏體含量達(dá)到了良好的配合，這時的硬度有所提高。等溫淬火后回火與否，對于硬度值有很小的影響，但淬火低溫回火或等溫淬火后，該材料橫向性能比縱向性能差，有明顯的回火脆性等缺陷。 
（3）42CrMo屬于中淬透合金鋼，無回火脆性，調(diào)質(zhì)后有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，與35CrMnSiA合金鋼相比，更適合截齒的受力特性，更適宜作截齒材料。42CrMo鋼經(jīng)等溫淬火工藝可獲得下貝氏體組織，具有高強(qiáng)度和優(yōu)良的耐一延遲斷裂性能。該鋼在460°C等溫淬火可獲得典型的羽毛狀上貝氏體及近似對稱分布其上的貝氏體，500°C等淬火時形成上貝氏體和無碳貝氏體共存、以上貝氏體組織為主的混合組織，540°C等溫淬火，可得到板條馬氏體及針狀無碳貝氏體組織，當(dāng)?shù)葴卮慊饡r間較長時，得到典型無碳貝氏體，此貝氏體組織多為粒狀且相鄰貝氏體組織相互銜接，因為無碳貝氏體形成的早期不是通常所見的粒狀，而是針狀。經(jīng)880°C淬火，組織為板條馬氏體加下貝氏體，960°C淬火可得到下貝氏體，少量孿晶馬氏體和板條馬氏體，1000°C淬火，由于碳及合金元素在奧氏體中充分固溶，提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，抑制貝氏體的轉(zhuǎn)變，從而消除了淬火組織中的下貝氏體，獲得板條狀馬氏體、少量殘余奧氏體及少量孿晶馬氏體組織。 

4.3 截齒工藝的發(fā)展 

就我國截齒工藝的發(fā)展過程而言，最初制造工藝是：鍛造→不完全退火（球化退火）→機(jī)加工→熱處理（調(diào)質(zhì)）→酸洗除銹→釬焊硬質(zhì)合金→磨齒→涂油保護(hù)。這種工藝是先調(diào)質(zhì)而后進(jìn)行釬焊，焊后不進(jìn)行任何處理?；w因退火致使距齒尖30mm內(nèi)硬度下降到20HRC以下，并出現(xiàn)粗大魏氏體組織甚至產(chǎn)生過燒組織，導(dǎo)致其綜合機(jī)械性能大幅度下降。為了提高截齒工作部分硬度，有關(guān)部門提出了全面改革生產(chǎn)工藝的方案：齒體下料→鍛造→機(jī)械加工→釬焊硬質(zhì)合金齒尖→截齒整體調(diào)質(zhì)熱處理或鹽浴等溫淬火→表面防腐處理。截齒整體調(diào)質(zhì)熱處理或鹽浴等溫淬火是提高齒體強(qiáng)韌性與齒體頭部表面耐磨性能的必要步驟。但是調(diào)質(zhì)熱處理（即淬火+高溫回火）及鹽浴等溫淬火過程中的加熱和冷卻，會在釬焊縫及硬質(zhì)合金中產(chǎn)生顯微裂紋，損害截齒使用壽命。釬焊過程對齒體頭部的劇烈加熱，也會引發(fā)硬質(zhì)合金內(nèi)部裂紋增生，并導(dǎo)致齒體頭部產(chǎn)生過熱組織。另外，截齒整體調(diào)質(zhì)熱處理或等溫淬火對提高包覆硬質(zhì)合金的齒體頭部表面的耐磨性十分有限，因此在使用過程中齒體頭部表面早期磨損，使硬質(zhì)合金過早暴露出來并脫落，導(dǎo)致了截齒的急劇磨損破壞。 目前國內(nèi)截齒的生產(chǎn)工藝一般為以下2種：
（1）截齒體加工成形→釬焊硬質(zhì)合金頭→鹽爐加熱→硝鹽等溫淬火→回火。
（2）截齒體加工成形→鹽爐加熱→硝鹽等溫淬火→清洗→釬焊硬質(zhì)合金頭→回火。
  第1種生產(chǎn)工藝，釬焊硬質(zhì)合金頭后鹽爐加熱再硝鹽等溫淬火，截齒體的硬度得到了保證，但硬質(zhì)合金頭在釬焊和硝鹽等溫淬火這一過程中，都經(jīng)過了兩次加熱，從而使硬質(zhì)合金頭脆化，使截齒在使用過程中因硬質(zhì)合金頭崩裂和硬質(zhì)合金頭與截齒體焊接的開裂而大大縮短截齒的使用壽命。第2種生產(chǎn)工藝，硝鹽等溫淬火后釬焊硬質(zhì)合金頭，雖然焊縫的質(zhì)量和硬質(zhì)合金頭的質(zhì)量得到了保證，但截齒體頭部的硬度卻下降了，導(dǎo)致截齒體頭部耐磨性大大降低，使得截齒在使用過程中硬質(zhì)合金頭過早脫落，同樣也縮短了截齒的使用壽命。 
采用截齒真空爐釬焊與熱處理同時一次加熱，截齒的真空釬焊工藝流程為：清洗截齒體待焊部分、釬料和硬質(zhì)合金刀頭→烘干→裝填焊料、硬質(zhì)合金刀頭→將截齒裝入夾具內(nèi)→入爐加熱→冷卻，使釬焊好的截齒直接進(jìn)行淬火的工藝。 
 為了適應(yīng)煤炭生產(chǎn)發(fā)展的要求，滿足新型采掘機(jī)械的要求，截齒性能應(yīng)具有比能耗低、煤屑塊度大、煤塵少、強(qiáng)度高、耐磨性高、自旋轉(zhuǎn)、工作可靠、壽命長等特點。目前常用的提高截齒的耐磨性和延長使用壽命的工藝[20]措施如下: 
（1）采用可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動的截齒 
 增大刀頭直徑D與固定軸直徑d的比值，使得截割中刀齒在齒座中自動旋轉(zhuǎn)，刀齒的旋向使刀尖自動刃磨，提高截齒的壽命。 
（2）利用熱噴涂技術(shù)對截齒進(jìn)行處理 
熱噴涂是利用一種熱源將噴涂材料加熱至熔融狀態(tài)，并通過氣流吹動使其霧化高速噴射到零件表面，以形成噴涂層的表面加工技術(shù)。熱噴涂技術(shù)可在金屬基體上沉積陶瓷涂層，將陶瓷耐高溫、耐磨、耐蝕等特性與金屬材料的強(qiáng)韌性、可加工性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性等特性結(jié)合起來，以獲得理想復(fù)合涂層制品，已成為當(dāng)今復(fù)合材料及制品研制領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。熱噴涂技術(shù)是一個涉及多學(xué)科，諸如金屬學(xué)、陶瓷學(xué)、高分子科學(xué)、表面物理學(xué)、表面化學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、等離子物理學(xué)等學(xué)科的邊緣科學(xué)。采用熱噴涂工藝，在采煤機(jī)截齒體頭部噴焊一層高硬度耐磨合金，該合金層與截齒體具有良好的冶金結(jié)合，具有高硬度耐磨不脆裂的特點，其壽命比傳統(tǒng)的鑲嵌硬質(zhì)合金截齒高0.5~1倍左右，且制備工藝簡單。
 3利用堆焊技術(shù)對截齒進(jìn)行處理 
在傳統(tǒng)鑲嵌硬質(zhì)合金頭位置的截齒頭部，利用堆焊技術(shù)，按截齒形狀要求分層堆焊出截齒頭部。堆焊涂層的主要合金元素為鎢、鉻、釩，且合金元素含量與鎢系高速鋼基本一致，涂層處于熔融狀態(tài)，因此涂層結(jié)構(gòu)類似鑄造高速鋼組織，其組織由骨骼狀的共晶萊氏體和奧氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物組成，保證涂層具有較高的硬度與耐磨性。涂層硬度為660.6 HV，雖然不如硬質(zhì)合金的高，但是相比之下，涂層的抗沖擊性能要優(yōu)于硬質(zhì)合金，較適合于煤層中含有夾矸或有斷層的情況。 
（4）利用等離子束表面冶金對截齒進(jìn)行處理 
等離子束表面冶金技術(shù)本質(zhì)上是一種快速非平衡冶金反應(yīng)過程，原則上可不受組成物的相溶性、熔點、密度等性質(zhì)的限制，可利用任意粉末的任意配比，獲得通常冶金方法不能得到的合金層。它是在噴涂、熔覆、堆焊之后發(fā)展起來的涂層技術(shù)，在傳統(tǒng)的熱處理工藝基礎(chǔ)上，對截齒齒體進(jìn)行等離子束表面冶金可以獲得耐磨抗沖擊涂層，與用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的同型號截齒相比，壽命提高2倍以上，制造成本降低了20%，具有十分顯著的推廣應(yīng)用價值。 
（5）采用鑲鑄工藝制造截齒 
 鑲鑄截齒是采用在鑄型型腔中放硬質(zhì)合金，然后澆注鐵液一次成型。解決了釬焊截齒所存在的問題，通過調(diào)整鑄件合金元素的加入量，使截齒體具有較好的耐磨性和韌性，同時使硬質(zhì)合金和截齒體之間達(dá)到冶金結(jié)合，顯著提高硬質(zhì)合金和截齒體之間結(jié)合力。而且簡化了工藝，降低了成本，并顯著提高了使用壽命，與鍛造釬焊截齒相比，綜合壽命提高4倍以上。 

第五章  提高截齒可靠性的途徑

鎬形截齒是目前國內(nèi)外采煤機(jī)械上使用最廣泛的一種切割工具。鎬形截齒具有下列優(yōu)點：
（1）鎬形截齒結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)加工及井下使用時的安裝拆卸方便。
（2）鎬形截齒齒體及齒頭均為園形結(jié)構(gòu)對各個不同方向受力具有相同的抗力。
（3）鎬形截齒磨損均勻且具有自磨刃功能，鎬形截齒在切割巖煤過程中受力是不對稱的，偏于截齒軸線受力更大一側(cè)的切削力與過軸線的支撐反力間會形成力偶并迫使截齒繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)的結(jié)果一是使截齒頭部沿圓周方向的磨損均勻延長了使用壽命，二是可以產(chǎn)生自磨刃效果，有利于保持截齒切割刃的鋒利降低切割阻力與動力消耗。因此鎬形截齒成為目前應(yīng)用最廣泛消耗量最大的采煤機(jī)配件。對鎬形截齒的失效形式和原因進(jìn)行深入分析研究并在此基礎(chǔ)上尋找出更加有效更加科學(xué)合理的解決方案或技術(shù)措施提高鎬形截齒的使用壽命對于企業(yè)有重要意義。                            
1截齒主要失效形式及原因  
截齒在截割煤巖時承受很高的剪應(yīng)力、壓應(yīng)力和沖擊負(fù)荷,經(jīng)常會遇到煤矸石等較硬的礦料, 切割過程中會產(chǎn)生劇烈的摩擦和局部高溫，因此
截齒實際工作的工況條件十分惡劣。通過對幾個煤礦截齒失效的統(tǒng)計分析可知，截齒的主要失效形式大致有以下幾種。 
磨損 
根據(jù)磨損理論,煤對金屬的磨損屬于磨料磨損。在干摩擦狀態(tài)下,煤粒及煤礦體中的硬礦物(如石英、黃鐵礦等)是造成磨料磨損的主要原因，在切割過程中煤粒及硬礦物顆粒呈高度擠壓狀態(tài)流出因而形成對材料表面的劇烈磨擦和磨損。 
我們知道目前大量使用的鎬形截齒由齒體和硬質(zhì)合金刀頭兩部分組成并通過釬焊聯(lián)接。實際應(yīng)用中對截齒的性能要求是：齒體應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和沖擊韌性同時齒體頭部又要有較高的硬度和抗磨性。但由金屬材料學(xué)可知，對于同一種金屬材料，硬度和沖擊韌性二者呈負(fù)相關(guān)規(guī)律，通常在保證齒體具有較高強(qiáng)度和韌性情況下，齒體熱處理后的硬度一般為HRC45左右，而硬質(zhì)合金刀頭硬度一般為HRC70以上，由于二者的硬度和耐磨性有著巨大差異，使得實際使用中硬質(zhì)合金刀頭只產(chǎn)生較少磨損而支撐硬質(zhì)合金刀頭的齒體部分卻產(chǎn)生了大量磨損使其支承強(qiáng)度急劇下降導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀頭脫落，這是截齒磨損失效的最主要原因，也是造成硬質(zhì)合金刀頭利用率低及截齒。
鎬形截齒的各種失效形式中磨損失效占比最大約為80%~90%而其他形式失效僅占10%~20%，由于硬質(zhì)合金刀頭與支承硬質(zhì)合金刀頭的齒體在硬度和耐磨性上差異過大使得實際使用中硬質(zhì)合金刀頭只產(chǎn)生較少磨損而支撐硬質(zhì)合金刀頭的齒體部分卻產(chǎn)生了大量磨損支承強(qiáng)度急劇下降最終導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀頭脫落是鎬形截齒磨損失效的主要原因。因此說能減少截齒的磨損就能極大的提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。
針對截齒在工作中出現(xiàn)的磨損、刀頭脫落、刀頭碎裂等失效形式．對其產(chǎn)生的主要原因進(jìn)行了分析．并從設(shè)計、制造、選型和使用方面入手，采取相應(yīng)的措施來解決這些問題。

5.1 設(shè)計方面

(1)利用先進(jìn)的設(shè)計手段，迸一步優(yōu)化截割頭設(shè)計，對掘進(jìn)機(jī)截割頭的幾何形狀、尺寸、截齒的排列方式、幾何參數(shù)、以及截割參數(shù)等進(jìn)行匹配設(shè)計。力求達(dá)到在工作中每個截齒受力相等、磨損相同、運動平穩(wěn)，提高截煤巖效率．減少截齒的磨損及破壞。從而提高截齒的可靠性能。
(2)根據(jù)煤巖層的硬度指數(shù)．有針對性地選擇相應(yīng)牌號的合金刀頭。通常。對于截割抗壓強(qiáng)度小的煤或半煤巖巷道可以選用牌號YGll．YGl3的合金刀頭。對于抗壓強(qiáng)度大的全巖石巷道就應(yīng)該選用含Co量多的YG25或其他采用噴涂等先進(jìn)技術(shù)制作的復(fù)合硬質(zhì)合金材料，以提高抗沖擊能力。

5.2制造工藝方面

(1)嚴(yán)格按照設(shè)計要求．保證截齒與齒座之間的配合。確保截齒在齒座中能自由轉(zhuǎn)動．避免偏磨現(xiàn)象的發(fā)生，實現(xiàn)自磨刃功能，保持刀齒的銳利，此時截齒的磨損為正常的均勻磨損．處于良好的截割狀態(tài)。
(2)使硬質(zhì)合金刀頭與齒體的釬焊間隙保持在0．08。0．15mm。釬焊焊縫間隙的大小是影響焊縫致密性和焊縫強(qiáng)度的主要因素。間隙過?。恋K釬焊料流人。間隙過大時，釬料不能填滿焊縫間隙。
(3)采用先進(jìn)的釬焊及熱處理技術(shù)。截齒的釬焊及熱處理下藝是保證截齒質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前國內(nèi)截齒的生產(chǎn)工藝為：齒體加工成形一清洗一中頻感應(yīng)加熱釬焊硬質(zhì)合金頭一硝鹽等溫淬火一回火一噴砂，即截齒釬焊后，冷卻到室溫．再將截齒加熱到850—880oC。然后投入淬火介質(zhì)中。這種工藝雖保證了截齒的硬度．但經(jīng)過2次加熱。使得合金頭變得脆化．釬焊縫抗剪強(qiáng)度下降30％左右．并且容易出現(xiàn)焊料與母材以及焊料本身的微裂紋。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是由于第2次加熱時．溫度已接近或達(dá)到焊料自身熔化溫度．使焊料成分有可能發(fā)生變化．使得焊縫質(zhì)量下降。我國在20世紀(jì)90年代中后期開始研究截齒硬質(zhì)合金釬焊、熱處理一體化技術(shù)。釬焊、熱處理一體化技術(shù)采用的是真空爐加熱。使釬焊好的截齒不經(jīng)過空冷直接淬火。釬焊、熱處理一次完成。這種新工藝可以避免傳統(tǒng)工藝過程中釬焊表面與空氣接觸產(chǎn)生氧化的現(xiàn)象．保證熔化的釬料與釬焊表面直接接觸，保證焊接質(zhì)量：同時由于釬焊、熱處理1次加熱完成。避免了2次加熱引起的合金頭脆化、焊縫強(qiáng)度降低等問題。保證了截齒的硬度以及截齒的柔韌性。  
（4）采用“三高”工藝提高硬質(zhì)合金頭質(zhì)量。“三高”工藝是指選用優(yōu)質(zhì)原料，采用高純鎢粉、高溫還原、高溫碳化3項技術(shù)措施來生產(chǎn)硬質(zhì)合金頭的方法。采用“三高”工藝生產(chǎn)的硬質(zhì)合金頭材料具有密度均勻．耐磨性及韌性高等特點。
 (5)采用熱噴涂技術(shù)對截齒進(jìn)行處理。熱噴涂技術(shù)是利用熱源將噴涂材料加熱到熔融狀態(tài)．并通過氣流使其霧化并迅速噴到零件表面的表面加工方法。采用熱噴涂工藝生產(chǎn)的截齒。其齒體頭部具有一層高硬度耐磨合金，具有高硬度耐磨不脆裂。                                                              
（6）采用等堆焊表面強(qiáng)化技術(shù)。在截齒靠近刀頭及刀頭部位采用耐磨焊絲堆焊藝．在鋼基表面熔覆一層北京固本牌耐磨焊絲。以獲得與基體呈冶金結(jié)合的耐磨層。該耐磨合金層的硬度高達(dá)HRC65以上，并且與齒體的結(jié)合力較大．不易脫落．具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能．尤其在截割唪硬的全巖巷道時效果更為明顯。

 

5．3使用方面

(1)由于煤巖軟硬和煤層所含夾矸情況不同，截齒裁割時受力狀況就有所不同，采用截齒幾何形狀和尺寸就應(yīng)有區(qū)別．對制造所用材料和工藝也應(yīng)有相應(yīng)要求．把用于截割煤層的截齒用于截割較硬巖層。必然加劇截齒的破壞。截割煤層時，因截割阻力小。這時可以提高截割速度來提高生產(chǎn)率，反之。截割巖石時．阻力大，為了避免電機(jī)過載，也為了減少截街損耗．應(yīng)降低截割速度。                                                    
（2）在工作中。隨時注意工作機(jī)構(gòu)上截齒的狀態(tài)．當(dāng)截齒齒尖的硬質(zhì)合金磨去1．5～3mm或與煤的接觸面積大于lcm2時．應(yīng)及時更換截齒。對于丟失的截齒也應(yīng)及時添補(bǔ)．以免加蘑相鄰截齒的負(fù)擔(dān)．導(dǎo)致其他截齒的非正常磨損。3結(jié)語截齒作為掘進(jìn)機(jī)的截割刀具．在截割過程中．由于工況條件復(fù)雜．造成截肯失效．使得截齒消耗量大。通過對截齒失效的原因進(jìn)行分析，采取相應(yīng)的措施．從設(shè)計、制造和使用方面加以控制。就能降低截齒損耗．提高截崗的可靠性。進(jìn)一步提高煤炭生產(chǎn)的效益，以適應(yīng)高產(chǎn)高效礦井建設(shè)和發(fā)展的需要。