掘进机截割头故障分析及改进方案

王炳效 WANG Bing-xiao

（中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，太原030006）

摘要： 随着掘进机向着重型化方向发展，所破碎的巷道逐步趋于全岩、硬岩，作为破碎工具的截割头故障率也随之增高，既影响巷道拓展进度，又影响整机的经济实用性。为此以下针对掘进机截割头在使用程中常见的几种故障，细致的分析每一故障引发的原因，并提出了相关的改进方案，提高了此部件的可靠性，为今后截割头设计提供了参考。

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关键词 ： 掘进机；截割头；故障分析；改进

中图分类号：TD421 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0115-02

作者简介：王炳效（1981-），男，山西太原人，工程师，2004年毕业于辽宁工程技术大学机械工程及自动化专业，现在中国煤炭科工集团太原研究院掘进机研究所从事掘进机设计工作。

0 引言

我国目前掘进机种类繁多，型号能有几十种，但基本上都用于煤矿，实现巷道的开拓，发展至今这些最大的掘进机可实现对煤岩硬度f=10的巷道进行掘进。作为掘进机工作机构的截割部，主要由截割电机、减速器、悬臂段和截割头组成。而截割头是掘进机实现破岩的直接部件，其中截齿的磨损、齿座脱落又是施工中常见的问题，如果此部件损坏，将无法实现对煤岩的破碎，整机将无法正常工作，延误工期。本文就对掘进机在井下试验过程中截割头所出现的故障进行分析，并提出改进措施。

1 主要故障

1.1 磨损

磨损主要表现为两个方面：截齿和齿座磨损（图1）以及截割头大端导流板和头体磨损（图2）。截齿磨损主要表现为偏磨，齿座磨损主要表面为齿座侧面磨损和两个尖端出现磨损（此情况普遍）；截割头大端磨损主要表现为大端端面整体发亮，且厚度变薄，且头体尺寸变小；导流板磨损主要表现为板厚度变薄，出现尖棱。

1.2 齿座脱落

齿座脱落主要现象为齿座整体从截割头体焊缝处脱落以及截割头体母体被撕裂，见（图3）。其中截割头体焊接处母体撕裂现象很少见到，属于个案，而齿座从焊缝处脱落比较常见，有的焊缝和齿座一起脱落，头体上焊接位置光滑如初；有的只有齿座脱落，焊缝还连接在头体上，形成一个齿窝。

1.3 齿座变形

齿座变形主要现象为齿座断裂以及齿座与截齿贴合面变形，见（图4）。断裂的齿座断裂面一般都位于齿座变截面小圆角处，先是出现细小的裂纹，在使用的过程中逐步扩大，最终断裂；而齿座与截齿贴合面出现凹痕的情况只出现在一个截割头体上。

2 故障分析

2.1 磨损损坏原因分析

截割头作为掘进机直接破碎岩石的部件，其工作环境非常恶劣，既要破碎坚硬的石壁，又要经受井下地下水的侵蚀；尤其是在扫底的工作中，由于端面上方的岩石被破碎后，松散物料堆积于底部，而掘进机设计时截割头必须比铲板靠前，反之部分物料难以被装运走，使得截割头长期处于物料与污水混合的污物之中；如果使用转速较高的截割头，其线速度高，在污物中产生摩擦，会使得头体接触污物的表面飞快磨损，尤其是头体大端，线速度最高的地方，磨损现象越严重。

截齿的磨损主要是在破碎岩石的过程中产生的，其可以在齿座内转动，但实际使用过程中由于岩粉泥浆的作用，导致截齿被卡死，不能旋转，产生偏磨。井下一般为8小时工作制，在生产班，机组连续运转，如果截齿发生偏磨，齿座就会被磨损，产生侧面磨损。齿座顶端两个圆角磨损情况普遍存在，主要是由于截齿在运动轨迹上不能覆盖这两个点，起不到保护作用，导致在运转过程中被磨损。

2.2 齿座脱落损坏故障分析

从损坏的截割头体表现上看，齿座脱落将母体撕裂的为少数，其原因为母体材质不均匀，存在一定的缺陷，在焊接齿座过程中，由于受焊接温度的影响，这些缺陷处出现应力集中现象，在使用过程中，被无限放大，最终导致母体开裂齿座脱落。而焊缝处脱落的齿座其表现为焊缝没有与母体溶为一体，母体材质为低碳钢，焊接时没有采取预热，就会出现将两个零件虚焊到一起现象的发生；而齿座设计不合理，与头体也没有完全贴合，存在一定的缝隙也会造成工作过程中焊缝开裂；在焊接完毕后没有及时进行除应力处理也会导致焊缝开裂。总体来说，齿座脱落的主要原因为焊接工艺制定不合理，在焊前处理、焊接过程中控制以及焊后处理均出现了问题。

2.3 齿座变形损坏故障分析

经了解，发生压溃现象的截割头所焊齿座为锻造件，在成型后直接加工制成，没有进行任何的热处理工艺，机械性能低，尤其是表面硬度。由于截割头为掘进机直接破岩机构，其受冲击力较大，截齿与齿座为间隙配合，因此，截齿与齿座结合面频繁受到冲击力作用，最终由于齿座表面的硬度不够而导致压溃。而部分齿座出现断裂则是由于齿座设计时存在过多的变截面，且圆弧过渡角较小，工作过程中应力集中所致。

3 改进方案

3.1 磨损损坏改进方案

根据巷道断面积，煤、岩硬度、顶底板状况，有无夹矸，夹矸的分布等工作面条件和技术规范采用合理的切割程序（切割头在巷道工作面上切割移动的路线，称为切割程序）。确定掘进工作面的切割程序应遵循下述原则：①大多数情况下，从工作面下角钻进，掘进半煤岩或岩石巷道时，应从煤中或软岩钻进，再切割至底板下角，再切底掏槽，增加自由面；②切割断面应自下而上进行，以利于装载和机器的稳定性，可提高生产率；③工作面的切割应注意煤或岩的层理，断面切割时应以左右横扫切割为主，截割头沿层理移动切割阻力较小。

降低切割头的切割深度，以牵引油缸回路尽量不溢流、切割电机接近满载、机器不产生强烈振动及落煤岩效率最高为原则，一般推荐为切割头直径的2/3，及时更换补齐截齿，保持截齿转动。

在截割头体大端以及导流板处增焊耐磨块，减缓磨损，见（图5）。

3.2 齿座脱落损坏改进方案

改进焊接工艺，在焊接齿座过程中，严格按照工艺要求，采用气体保护焊焊接，对头体整体均匀加热至150℃后用规定的焊料和方法在焊接变位仪上进行焊接；焊接时，如果齿座底面与截割头体悬空过大，需充填合适的垫铁；所有焊缝应满足图纸设计高度，不得出现虚焊、假焊和裂纹；焊条随炉加热，随用随取，焊后去应力退火处理。

3.3 齿座变形损坏改进方案

将齿座整体进行合理的热处理，增加其表面的硬度，提高表面接触强度，避免在使用过程中由于截齿的巨大冲击力再次造成贴合面压溃而损坏；对齿座结构进行更改，由原先方形（图6）改为圆形（图7），减少变截面的出现，在不可避免的变截面采用较大圆弧过渡，减小应力集中，既可以避免使用过程中由于受力过大造成断裂现象的发生，同时也可避免在热处理过程中出现裂纹现象的发生。

4 结语

通过对掘进机截割头体所出现的故障进行分析，找到了相关问题的症结所在，通过更改截割工艺、进刀深度以及加焊耐磨块的方法减缓了截割头磨损；改变焊接工艺，合理进行热处理解决了齿座脱落的问题；改变齿座结构以及进行必要的热处理解决了齿座断裂变形的问题。改进后的截割头在使用过程中工作良好，大大降低了故障率，此部件的可靠性得到了提高，使用寿命也随之增加，达到了改进的效果，同时为今后掘进机截割头设计提供有力的参考，避免类似故障的发生。

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参考文献：

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