采煤机滚筒的可靠性分析

RCM《科技传播》王岩 周宏喜 2011-05-06 14:20:02
  摘要 滚筒是滚筒采煤机的重要工作机构,负责采煤机的落煤和装煤。由于井下地质条件复杂,工作环境恶劣,滚筒往往是采煤机最易磨损或损坏的部件。本文从滚筒的选材、设计以及制造工艺等方面分析了采煤机滚筒失效损坏的原因,提出了提高滚筒可靠性的可行性措施。
  关键词 滚筒;截割;材料;设计 

  0 引言
  目前国内生产的滚筒,如截割硬煤或含矸率较高的煤层时,第一次使用寿命一般只能截割运行7万m~12万m,即要上井修补。每更换一次滚筒,至少要一个检修班的工作时间,而且滚筒的运输和维修需要消耗大量的人力物资。因此,滚筒的使用寿命很大程度上影响着采区的生产率和采煤机的工作寿命。
  1 滚筒的失效状态
  1)焊缝开裂,包括截割齿座脱焊、开裂以及螺旋叶片和筒体间的焊缝开裂,主要是由于工作面遇到硬煤或矸石夹层时,滚筒的截割强度过大,超负荷运转造成;
  2)螺旋叶片尾端尖严重磨损并向非装煤面倾斜,从而影响装煤效果,主要是由于截割齿脱落,叶片与煤壁直接接触造成;
  3)滚筒内喷雾管路或喷嘴孔堵塞,喷雾系统失灵;
  4)截齿端头的硬质合金头脱落,造成截齿磨损严重或断在齿座中,难以取出,丢齿严重,有的要占截齿总消耗量的30%以上。
  上述损坏状态中,最普遍的是截齿和齿座问题,故矿上规定滚筒升井检修标准为:凡连续有3个齿座损坏则必须更换滚筒。
  2 滚筒损坏的原因
  2.1 材料选择上不适应工况
  我国制造滚筒选用的材料比较单一,如滚筒的筒体、螺旋叶板和端盘板均选用普通碳素结构钢板A3钢制作,其强度低,使滚筒筒体过早的出现裂缝,而国外的滚筒均选用优质碳素结构钢和低合金结构钢板制作。
  目前我国齿座的选材,以使用35CrMnSiA钢为主。据统计:螺旋滚筒故障中齿座故障占总数的82%~85.5%,其中安装截齿的槽孔磨损占22.3%~41.3%,焊缝开裂占27.3%~46.2%,侧面磨损占9.2%~12.4%,断裂占1.3%~5.8%。使用35CrMnSiA钢齿座,其优点是强度高、成本低。而缺点是冲击功值低,可焊性较差,如不采用有效的工艺措施,焊缝处容易产生裂缝,且整体处理后,硬度低,目前设计图规定齿座表面硬度为HRC42-48,截齿柄部硬度为HRC38-42,两者最大差值为HRC10。实际生产中往往是截齿柄部硬度超过规定,有的达HRC50,而齿座硬度又低于规定值。这样造成齿座安装截齿槽孔很快磨损,就会大量丢失截齿。
  国外一些国家生产的齿座,现都采用低碳铬镍钢或铬镍钼钢制造,我们对其实物进行了化学成分分析,见表1。
  使用低碳合金钢制作齿座,可以采用渗碳表面热处理工艺,使支撑截齿表面硬度达到HRC58以上,耐磨性好,而芯部具有高的冲击功值,可焊性又较好。
  2.2 设计上的不完善
  目前滚筒品种很少,要适应各种不同的煤层条件必然会产生问题,某一种滚筒不可能适应井下复杂的条件。因此,滚筒应根据煤层赋存条件来设计。
  滚筒设计的关键在于解决好截割效果、装煤效率、制造的可靠性、截割时振动水平等问题。
  截齿是滚筒上的承担截割、破碎煤岩的主要构件,它的安装角度与定位尺寸对截齿及滚筒受力、采煤机功率消耗有很大影响,加工精度低、截齿定位精度不高或安装角度误差大会导致截线距的偏差大,使滚筒割煤时各截齿受力负荷相差大,在工作中部分截齿受力会超过设计载荷而很快失效或折断,在割煤时齿座与煤壁直接摩擦,从而加剧了齿座的磨损或开裂。此外还可引起截割过程中的轴向力不平衡现象,使采煤机振动加剧,影响采煤机的使用寿命。
  设计上还有一个不合理就是在滚筒上安排的截齿过密,尤其是在设计截割坚硬煤质的滚筒时,带来弊病是使齿座与端盘板、叶片的连接牢度减弱,造成滚筒提前损坏。
  2.3 制造粗劣
  滚筒为焊接结构,由筒体、螺旋叶片板、端盘板、齿座和喷嘴座等零部件焊接组装而成。但实际制造过程中,制定焊接工艺和方法时没有充分考虑现场使用条件,或焊接加工时没有严格执行焊接标准,焊缝有缺陷会导致滚筒截割过程中局部开裂,降低滚筒的使用寿命。
  滚筒的螺旋叶片承担着采煤机的装煤功能,在割煤过程中长期与原煤和矸石接触摩擦,磨损严重,影响了滚筒的装煤效果,降低了螺旋叶片的使用寿命。
  2.4 提高可靠性的技术措施
  1)加强管理,及时反馈现场使用性能和质量技术需求信息,并进行信息的收集与分析,结合生产单位的实际情况,优化滚筒加工制造工艺流程;
  2)新滚筒设计时,调整端盘截齿的截线距和齿尖落差,以变更截齿截割圆弧的曲率半径,调整端盘截齿的倾角和端盘截齿与叶片截齿的相对位置,调整端盘到叶片过度区截线上截齿的数量和倾角,合理选择叶片截齿的截线距,这样可使截线上几个截齿的切削负荷较均匀,使切屑断面形状达到最佳;
  3)采用科学的方法,加强滚筒主要受力部件,提高加工精度。引进先进设备,在专用的滚筒加工胎具上焊接齿座,确保截齿的角度误差在范围之内,提高滚筒截齿定位和安装倾角的精度;
  4)在焊接工艺方面,如端盘板、叶片与筒体的焊接,增加焊后退火工序,齿座与端盘板、叶片的焊接采用小直径焊条、低电流的焊接规范。由于二氧化碳气体保护焊具有焊弧热量集中、熔池深、焊缝强度高等优点,所以滚筒上主要承载部件采用二氧化碳气体保护焊,在螺旋叶片的端头处要堆焊高铬铸铁焊条,并保证焊点的高度与密度,增加其耐磨性;
  5)研制新型齿座,提高滚筒使用寿命。这就要求齿座不仅具有很高的静强度,还要有很高的抗疲劳强度和耐磨性。现使用的35CrMnSiA和Cr钢制造的齿座已无法满足这个要求。此外,截齿端头的合金头一般是一种碳化钨和钴的合金,碳化钨硬度极高,耐磨性好,但性质脆,承受冲击载荷能力差,可在碳化钨中加入适量的钴来提高硬质合金的韧性;
  6)减少喷嘴的内堵,发挥内喷降尘效果。内喷雾主要故障是喷嘴内堵,因此,应注意内喷雾水道的防锈蚀处理。在端盘板环形水道、叶片螺旋形水道、和筒体相关部分的表面喷涂或喷焊防腐蚀的合金粉末,在进、出口水道采用不锈钢管,喷嘴座也采用不锈钢材料制作。
  3 结论
  总的来看,在滚筒设计制造阶段,结合现场的实际情况,加强信息的收集与分析,优化加工工艺和流程,提高加工质量,研制新型材料,滚筒可更好地满足现场生产的要求。
  
  参考文献
  [1]徐从清主编.矿山机械.徐州:中国矿业大学出版社,2009.
  [2]朱真才,韩振铎主编.采掘机械与液压传动.徐州:中国矿业大学出版社,2005.
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