对采煤机工作过程中摩擦现象的研究.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 对采煤机工作过程中摩擦现象的研究 姓名康晓敏 申请学位级别硕士 专业机械设计及理论 指导教师李贵轩 2002.12.1 摘要 本文对采煤机工作过程中的摩擦现象进行了研究，包括截齿 与煤岩的摩擦、机器自身零部件问及与输送机的摩擦。对镐型截 齿在工作过程中的受力及旋转情况进行了相关分析，通过v C 和O p e n G L 编制程序计算得出其旋转的条件和状态，并且进行了 计算机三维模拟，建立了随参数变化的计算模拟系统，实现了镐 齿截割旋转与不旋转过程的可视化。针对实际需求，作者研制了 煤与钢摩擦系数的测定装置，为采煤机滚筒设计提供了依据。本 文还对采煤机零部件间及与输送机的摩擦进行了宏观分析，得出 了减少摩擦、降低磨损的一些相应措施。 关键词采煤机摩擦磨损镐型截齿受力分析 A b s t r a c t I nt h i s p a p e r ，p h e n o m e n o n o ff r i c t i o no ft h es h e a r e rd u r i n g w o r ki ss t u d i e d ，w h i c hi n c l u d ef r i c t i o nb e t w e e nb i t sa n dc o a l ，p a r t s o fm a c h i n e ，t h es h e a r e ra n dt h ec o n v e y o r ．F o r c e s a n dr o t a t i o no f c o n i c a lb i t sd u r i n gw o r k a r ea n a l y s e d ．U s i n gV C a n dO p e n G L t h e p r o g r a mi s m a d et oc a l c u l a t ec o n d i t i o n so ft h eb i t ’s r o t a t i o n ，a n d t h r e ed i m e n s i o n a ls i m u l a t i o ni sm a d e f o ri tb yc o m p u t e r ．A n ds y s t e m o fc a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o nw i t h t h e c h a n g e s o fp a r a m e t e r si s f o r m e df o rr e a l i z i n gv i s u a l i z a t i o no f t h eb i t ’S r o t a t i n gp r o c e s s ．F o r m e e t i n gw i t ht h en e e d ，m e a s u r e m e n t o ff r i c t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e n c o a la n ds t e e l i s m a d e ，w h i c hc a np r o v i d eb a s i s f o rd e s i g no ft h e s h e a r e rd r u m ．A l s o ，t h i sp a p e rd e a l sw i t hf r i c t i o nb e t w e e np a r t so f m a c h i n e ．t h es h e a r e r a n dt h e c o n v e y o r ，m e a s u r e s f o r d e c r e a s i n g f r i c t i o na n dw e a ra r eg o t ． K e y W o r d s t h es h e a r e r f r i c t i o n w e a r c o n i c a lb i tf o r c e sa n a l y s i s 辽宁．_ 1 玷技术起匏呒目雏敝 l 绪论 两个相互接触的物体在切向外力作用下发生相对运动 或相对运动趋 势 时，在接触面间产生阻止切向运动的阻力，这种现象称为摩擦。 摩擦是日常生活和科学技术领域中任何地方都存在的一种平凡的现 象，又是现代许多技术部门经常遇到的最普遍、最重要的问题之一。摩擦 力可以是机械零件的工作基础，人们利用摩擦传递动力和制动，而且人在 地面上行走、汽车在路上行驶等都需要摩擦，如果没有摩擦，人类就无法 进行正常的生活。这是摩擦有利的一面，然而它的不利之处更是不容忽视。 据资料报道，世界能源大约有1 ／3 最终表现为某种形式的摩擦而消耗。除 能源损耗外，很多重要零件因摩擦、磨损或失效而造成破坏。据统计，约 有5 0 ％以上的失效机械零件是由于磨损引起的。除磨损本身外，摩擦还会 导致过度发热，加剧磨损。零件的摩擦磨损不但给生产造成巨大损失，而 且使机械设备的可靠性大大降低，进而影响生产，造成经济损失等很多问 题。 矿山机械是磨耗最严重的机械，摩擦、磨损造成能量损耗，零件失效 破坏程度很大。矿山机械的工作对象为各种矿石、煤炭、岩石、砂土等， 在采掘、截割、装载运输、破碎、分选、提升过程中会受到严重的磨损， 经常发生机件和工具的失效。如果同时又受到矿下水和气体的多重腐蚀， 就会加剧机件的磨损。由于矿山机械的磨损失效，造成了材料和能源的巨 大损失。采煤机械亦是如此，采煤机在工作过程中，摩擦、磨损不可避免， 有采煤机和煤之间的摩擦，采煤机机器零部件间的摩擦，采煤机和运输机 间的摩擦，其中，煤与采煤机间的摩擦尤为重要。因此，由于摩擦、磨损 给采煤机械及煤矿生产带来的问题迫切需要解决和进行深入研究。 从1 9 6 6 年英国乔斯特 H ．P ．J o s t 提出建立摩擦学新学科以来，世界 各国对摩擦学的研究都极为重视。长期以来，国内外对于各种摩擦磨损机 理以及耐磨材料等的研究发展很快，而关于煤矿机械摩擦磨损的研究却不 多。国外这方面研究大部分包括在磨料磨损中，美国着重于金属矿和矿山 机械耐磨材料的选择、还有对煤矿机械润滑及粉尘控制等的研究，很多国 辽寸工喇费时圆啊吐学崩龟文 家是对枫械的耐磨材料、工艺、润滑、设备改进等方面的研究。凿肉除有 一些关于磨煤橇、矿井提升设备钢丝绳的摩擦和铡板输送祝的耐磨材料、 工艺的研究及其它一些机械零件如铲斗、钻头和切割刀具材料、截齿磨损、 截割粉尘控制等的一些研究外，针对采煤梳在工作过程中的摩擦现象宏观 方瑟的研究很少，本论文就此进行～些探讨。由于在有关煤岩、采煤机设 计豹理论分析莘嚣设计计算中需考虑摩擦、能量损耗问题，其中，需糟到煤 与钢的摩擦系数值。前苏联的一些研究工作者在二十邕绍五六十年代设计 了凡种测量装置，用以测量煤与钢、煤与煤的摩擦系数，并取得了一些实 验数据。丽国内，在煤炭行擅，到目前没有自行研制的专门用于煤与钢摩 擦系数的测定装置，本论文的另一内容设计研制此装置。 由于采煤梳的工作状况条停，其摩擦磨损情况很严重，造成零件失效 破坏很大，降低了零件设备的可靠恢，并且在很多理论分析及设计计算中 需要考虑摩擦、能量损耗问题。采煤祝在工作过程中，采煤机和煤、运输 梳的摩擦及采煤杌自身各零部件闯的摩擦辱致截齿等重要零件的磨损失 效，梳械传动效率的降低等。为了减小摩擦，降低能耗，为产品设计提供 依据，提高产晶可靠往，对采煤机在工作过程中存在的摩擦现象进行研究 至关踅瑟，并髓针对问题所在，找到相应的改善办法和对策必将对煤炭生 产、采煤机设计等方面大有稗益。在生产采煤机的企业中，不可避免在设 计制造中涉及摩擦、磨损问题，在蓬要的滚筒式采煤机Z 作机构的设计中， 由于煤岩性质、状况不同，导致不同地区、不同煤层的煤与钢的摩擦系数 亦不问，这即需要实逾铡鼙才能得到准确的数搬，将之应用到设计等各方 面中。 本论文的主要工作在于 1 研制煤与钢摩擦系数测定装置，通过实验测得装一地区趵煤与 钢的摩擦系数，得出摩擦系数的范围和变化规律。 2 对镐型截齿在工作过程中 截割和非裁割状态 魄受力状况进 行分析，通过静、动力学分析截齿受力以及所受到的旋转力矩 主动力矩 和阻力矩 ，得出其受到煤的馋用力旋转的象件和状态。 3 通过c 语言编程实现镐齿的受力计算，德出影口向旋转的因素， 辽宁砑黜豺习焉锕对学住d 宅文 3 进而为增加截齿的旋转可能性提供依据。并且利用V c 和O p e n G L 对截 齿旋转进行三维模拟，建立随参数变化的计算模拟系统，以实现镐齿截割 旋转与不旋转过程的可视化。 辽冀1 碡啦术穴攀受眺论文4 2 煤与钢的摩擦系数测定装置的研制 采煤机械实现了煤炭的开采，因此在工作过程中必然要与煤接触。金 属零部件或硬质合金在煤体表面运动时要受到摩擦阻力的作用。这种金属 与非金属间的摩擦作用将引起如下后果 a ．如果金属零部件是运动主体，将消耗其有用功； b ．使金属零部件表面或硬质合金受到磨损，表面形状改变，增加了切 割阻力； C ．使金属零部件和硬质合金发热，使其硬度降低，加剧磨损。 煤体对金属或硬质合金的摩擦作用大小用摩擦系数∥表示，而∥值的 大小受金属或硬质合金以及煤岩材料种类和相对运动速度等因素影响而不 同。国内至今尚无专门实验装置测定“值，因此，需首先研制。 2 ．1 研制此装置的理论原理 摩擦系数的定义为摩擦力与法向载荷之比，即 ∥ 鲁 要使受法向压力F u 的物体沿接触面滑动，必须施加切向外力F ，且， 只有达到某临界值时，物体才开始滑动，此临界值就是静摩擦力E 。静摩 擦力与法向压力之比就是静摩擦系数∥。。若法向压力F Ⅳ和切向外力F 的 合力与F _ v 构成的夹角P 小于某临界角，物体就不会滑动，称该l 临界角为摩 擦角。因此，摩擦角 P w a r c t a n i u “ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 2 2 现将一物体放置于一斜面上，物体只受 重力G 作用，当斜面与水平面问的夹角口达 到摩擦角时，则物体开始沿斜面下滑。如图 2 - - 1 所示。 护 P “， F t G s i n p tF N a c o s P s t 图2 1摩擦角图 j P P 五倒勤传妊拇受拦雕Z 赦 ∥当兰塑t a n p 。, t a n O } NC O S p n 此装置即是利用此原理，设计一可倾斜不同角度的斜面，斜面由金属 钢板制成，将煤岩试样放于此钢板平面上，则当钢板平面与水平面间夹角0 达到某一角度时，煤岩试样开始下滑，则此时的夹角即为P 。，煤与钢的摩 擦系数 静摩擦系数 Ⅳ值可由式 2 3 计算得出。 2 ．2 此装置的结构和工作原理 2 ．2 ．1 结构 此摩擦系数测定装置 M C 一1 测量仪 由钢板、支架、螺杆、螺母、 辊子、刻度盘、手轮、水平盘、调整螺钉等几部分组成。此测量仪器的结 构简图如图2 2 1 ～水平盘2 一支架3 一刻度盘4 一螺杆5 一螺母 6 一调整螺钉7 一手轮8 一辊子9 一钢板 图2 2 测量仪结构简图 2 ．2 ．2 测量过程 将仪器放置在平台上后，观察仪器上刻度盘3 和水平盘1 上的水平刻 线，均应处于水平状态，若在横向和纵向没有达到水平，则需调节支架下 面的调整螺钉6 ，调至水平即可。调节手轮7 使钢板9 恰好接触在辊子8 上，并与之相切，钢板上平面的倾角达最小。将煤试样集中放置于钢板中 部，平稳地转动手轮，使螺母5 和辊子缓慢前移，推动钢板平稳转动，增 加倾角。当钢板上的煤试样总体开始出现下滑的瞬间，停止转动手轮，同 辽宁j 箱物R k 等硕士制立论文6 时观察刻度盘 刻度盘用来测量钢板与水平线间的夹角 ，记录此时钢板上 平面与水平面问的夹角p ，由公式计算出摩擦系数值Ⅳ。 此装置在测量使用中，周围应无振动，操作手轮时，应尽量缓慢平稳， 以保证测量的精确性。 此装置在测量中，钢板平面的倾角可由8 ．8 。增加到7 0 。，因此，用此 装置测量摩擦系数的范围比较大，能够满足测量需求。 2 ．3 实验 M C l 测量仪的研制，与太原矿山机器集团公司合作，由该公司进行 制造。用此仪器对煤岩取样做实验，测定煤与钢的摩擦系数，多次取样， 测定平均值，得出实验结果。 2 ．3 ．1 煤样选取和实验数据 取海州煤矿一定数量原煤，用标准筛筛出若干份质量相同但粒度不同 的煤样，用来测定摩擦系数。测定分为两部分，一部分是测不含水的煤与 钢的摩擦系数，取每份煤样5 0 克；另一部分是测含有一定比例的水的煤， 将5 0 克的煤与5 克的水混合均匀 煤与水的比例为1 0 1 ，作为一份煤 样。两部分的煤样粒度均分为3 个等级，即a 组 13 m m ，b 组 13 - 2 5 r a m ， c 组 2 5 ～5 0 m r n 。得出的实验数据如表2 1 ，表2 2 所示 表2 1 测干煤与钢的摩擦系数数据表 各组摩擦总平 心。N 123456 粒度、＼∥＼ 系数均值均值 a 1 3口 l7 2 1 6 ．3 16 ．517l7 ．51 8 ．1 辟o ．3 0 7 7 一 组m m∥ 03 0 9 60 ．2 9 2 40 ．2 9 6 20 ．3 0 5 70 ．3 l5 30 ．3 2 6 9 “ b13 - 2 5目 13 ．113 ．9 I3 ．3I3 ．8l3 ．21 3 0 ．2 5 3 “ 0 ．2 3 7 9 组m m∥ 02 3 2 7 O ．2 4 7 50 ．2 3 6 40 ．2 4 5 6O ．2 3 4 50 ．2 3 0 9 C2 5 ～5 0臼1 21 21 2 ．31 2 ．41 1 ．91 1 ．8 岸0 ．2 1 38 组m m∥02 1 2 602 1 2 60 ．2 18 00 ．2 1 9 9O ．2 1 0 70 ．2 0 8 9 { 弱硼蚓吲嚣颓蟹撒Z 沦文 表2 2 测含水煤与钢的摩擦系数数据表 各粒度组摩擦摩擦系数 巡。，＼ 123 粒度＼∥＼ 系数平均值总平均值 13口5 14 9 ．54 7 a 组 ∥。2 1 15 9 4 ．, t ／06 7 m m∥1 ．2 3 4 91 ．17 0 81 ．0 7 2 4 l3 ～2 5目3 02 8 ．42 3 ．5 b 组 胁 0 ．5 1 7 6 m m∥O ．5 7 7 40 ．5 4 0 70 ．4 3 4 8 2 5 ～5 0护2 2 ．5】5 ．5】6 ．9 c 组 ／- t o 0 ．3 3 1 8 m m∥0 ．4 1 4 20 ．2 7 7 30 ．3 0 3 8 2 ．3 ．2 实验数据处理 摩擦系数计算公式为I - t t 9 8 。 根据测量的角度8 值计算“，取多次的算术平均值。 计算出各粒度组Ⅳ的平均值 厄 去喜 ∥， 卢z ⋯ ∥。 去喜 辔B t 9 8 2 ⋯ t g S ． ⋯⋯⋯⋯ 2 - - 4 式中，n 一实验总次数； 卜一第i 次实验。 心、比的计算与上式同。 摩擦系数总平均值 ∥ 圭 儿 芦。 p 。 小数点后取3 位有效数字 ⋯⋯⋯⋯ 2 - - 5 j 通过计算观测数据，得出摩擦系数平均值如表2 一I ，表2 2 所示。 2 ．3 ．3 实验结果分析 这次实验仅取某一煤矿的煤，就这种煤而言，由实验得出于煤与钢摩 擦系数的范围在0 ．2 0 8 9 ～0 ．3 2 6 9 ，此种煤与钢的摩擦系数总平均值为0 ．2 5 3 ； 含水煤与钢摩擦系数的范围在0 ．3 0 3 8 ～1 ．2 3 4 9 ，摩擦系数总平均值为O ．6 7 。 由于此装置的制造过程以及手动完成的测量实验，因此必然存在误差， 辽f铲。【程毖剖岸硕F摊娩文8 包括仪器误差、环境误差和人员误差，还有随机误差。 从表2 ～l 、表2 2 可看出，对干煤而言，煤与钢的摩擦系数较小； 含水煤的摩擦系数较之大很多。两种情况下，煤与钢的摩擦系数均因煤的 粒度不同而变化，粒度越大，摩擦系数越小。 前苏联的一些研究工作者⋯在二十世纪五六十年代设计了几种测量煤 与金属摩擦系数的装置，并取得了一些实验数据。E ．M ．什库连科和A ． M ．巴古晋用无烟煤在倾斜平面上滑动的方法研究了摩擦系数。研究结果表 明，当粒度由8 7 ～1 2 5 毫米减小到零时，赫鲁斯达里内依煤层的无烟煤与 金属的摩擦系数，由0 ．2 2 4 增大到0 ．5 1 8 。还有一些工作者的研究得出同 样结论粒度的大小，对摩擦系数有很大影响，当粒度增大，摩擦系数减 小。与本论文中用M c l 测量仪做实验得出的规律相吻合。表2 3 是前苏 联一些研究工作者关于煤与钢摩擦系数的实验数据【。 表2 3 各种煤炭同钢的摩擦系数 作者煤炭种类静止时的摩擦系数 无烟煤0 ．8 4 褐煤1 ．0 0 丁尼克和斯库杰洛夫 末煤 O ．8 4 焦油煤 O ．8 4 无烟煤 0 ．2 4 ～O ．3 牟列尔 煤炭 O ．3 5 ～0 ．6 辽宁] 稿驭沭大学硕士学虚论文 3 截齿与煤岩的摩擦研究 目前，煤矿井下广泛应用的采煤机械有两类滚筒式采煤机和刨煤机。 在我国，绝大多数走向长壁采煤工作面使用滚筒式采煤机。由于滚筒式采 煤机的采高范围大，对各种煤层适应性强，能截割硬煤，并能适应较复杂 的顶底板条件，因而得到了广泛应用，是综合机械化采煤的主要设备。本 文就滚筒采煤机进行研究。 在机械化采煤工作面的配套设备中，有采煤机、可弯曲刮板输送机和 支护设备。把煤从煤层上截落下来并运出采煤工作面，这是煤炭生产的两 个主要工序，采煤机完成了把煤从煤层上截落下来并装入输送机，刮板输 送机则实现了煤的运输。在采煤机的工作过程中，与其接触的包括煤岩、 输送机。采煤机破碎煤岩，不可避免与煤岩存在摩擦，而采煤机在输送机 上运行，自然也存在摩擦，而且采煤机在工作过程中，自身各零部件如齿 轮、轴承等之间在运转过程中亦存在摩擦现象。这些摩擦导致了能量损耗， 零件失效，机器可靠性降低，影响了正常的生产，造成了经济损失等一些 严重问题，因此对采煤机工作过程中的摩擦进行研究至关重要。下面首先 对采煤机与煤岩的摩擦进行研究。 滚筒式采煤机落煤与装煤功能的实现由其工作机构完成，既螺旋截煤 滚筒。螺旋滚筒是目前广泛采用的一种工作机构，这种工作机构简单、工 作可靠。 采煤机滚筒的筒毂上焊有螺旋叶片，在筒毂的一端焊有锥形端盘，在 螺旋叶片顶端及端盘周边焊有齿座，齿座内装有截齿。滚筒转动时，截齿 截割和剥落煤体，螺旋叶片将碎煤运至滚筒的采空区侧，并装入工作面输 送机里。 螺旋滚筒在工作过程中，截齿截割煤岩，与煤接触的有截齿、齿座、 螺旋叶片、筒毂等。其中截齿是采煤机截煤的刀具，是采煤机的关键零件， 滚筒在截煤和装煤过程中，与煤的摩擦很严重，截齿的消耗非常大。 3 ．1 煤对金属的摩擦磨损 磨损是摩擦时零件表层材料不断损失的过程，由于相接触的两表面材 辽宁明醋拣 掣硕士学崩△文 料间的机械及分子的相互作用，当接触表面有相对位移时，使表层微观体 积受到破坏，即产生磨损。 磨损按磨损机理分类，通常分为四类磨粒磨损 又称磨料磨损 、粘 着磨损 又称粘附磨损 、疲劳磨损和腐蚀磨损。有时还加上微动磨损、浸 蚀磨损或气蚀。 煤对金属的磨损属磨粒磨损。也就是非金属硬粒或凸体与零件表面发 生摩擦接触后使零件表面材料损耗的一种现象或过程。磨粒磨损是最常见 的磨损现象，也是各种磨损中最严重的一种磨损形式。据统计，在生产中 因磨粒磨损造成的损失约占磨损总数的一半左右。 文献【2 】对煤的磨损特性进行了实验研究。磨粒的硬度低于被磨的金属 的硬度时几乎不产生磨损。以纯煤而言其硬度比金属低得多，因此实际起 磨损作用的是煤中具有不同硬度的矿物质。煤中硬度大，含量高的石英、 黄铁矿、菱铁矿对磨损起了主要作用。根据磨损理论，磨料磨损过程中影 响因素是十分复杂的，除了硬度影响外还有外部载荷、施力和相对运动情 况、环境因素、材料组织和性能等有关。实验得出的部分结论如下 a ． 煤的磨损性是煤的重要的物理特性之一，它客观地反映了煤对金 属设备磨蚀的强弱程度。 b ． 煤的磨损性主要取决于煤中硬度高的矿物质的含量，颗粒的形状 大小及存在形式。 文献[ 3 】对于摩擦状态下煤和矸石的摩擦磨损特性进行了实验研究，部 分结论如下 a ． 煤为混合磨料，煤中的硬矿物是造成磨料磨损的主要原因。材料 的磨损率与煤中自由石英等硬矿物的含量成正比，而与煤中的总灰飞 煤 的灰飞实际上是在一定条件下煤中可燃物完全燃烧以后剩下的残渣。 含量 无关。 b ． 煤本身的磨料磨损特性是煤使材料反复弹塑性变形 浅而圆钝的 沟槽或压坑 和随后的碾压，最终导致材料断裂。而很少发生显微切削， 这是煤的硬磨料磨损特性之一。 c ．在煤的三体磨料磨损中，煤中的硬矿物会使煤对材料的磨损增大； 辽门并啦啉大第免目雏 澈1 1 而另一方面，如硬矿物中含煤时，其对材料的耐磨性也会增大。 d ． 软磨料磨损机理当煤比被磨材料软时，材料表面会发生疲劳磨 损、氧化磨损以及摩擦表面的热效应使得表面退火、软化、再结晶、甚至 于熔化。同时也有煤中难以完全分选出的硬颗粒的磨损作用。 同时，文献[ 3 】还对水及腐蚀介质中煤和矸石的摩擦磨损特性进行了实 验研究。由于矿井下相对湿度很大，许多设备常年受到淋水的冲刷或浸泡 在水中。地质条件使水质的成分变化很大，同时矿井中有较高的腐蚀气体 以及煤中的黄铁矿和其他影响，所以井下大量金属受到腐蚀和磨损的交互 作用，加速了机械零件的失效。在煤水浆腐蚀磨损中，除煤粒及硬矿物对 材料表面造成的犁沟外，介质的腐蚀作用大大加剧了材料的磨损。煤水浆 中的硫铁矿对金属起腐蚀作用，又起硬磨料磨损作用，造成腐蚀磨损严重 增加。 3 ．2 截齿与煤的摩擦、磨损 采煤机截齿有两种，刀齿 又称径向齿 和镐齿 又称切向齿 。截齿 是在合金钢刀体上钎焊硬质合金刀头组合而成，截齿在切割煤岩时承受高 的压应力、剪应力和冲击负荷，经常会遇到煤矸石等硬的矿料，并且在采 煤过程中截齿还有升温问题，因此截齿工作的工况条件复杂多变，造成截 齿失效，截齿消耗量非常大。 3 ．2 ．1 截齿磨损失效 从对几个煤矿的统计结果可见，截齿的主要失效形式是磨损失效，占 失效形式的7 5 ％一9 0 ％。 截齿与煤的磨损属磨粒磨损。磨粒磨损的影响因素有磨料的硬度、磨 料的形状尺寸、材料的机械性能和微观组织结构、工况和环境条件。 影响截齿失效的主要原因有 a ． 截齿质量 材料、工艺等 齿体材料采用具有良好锻造性能的优质合金结构钢，如4 0 C r N i M o 、 4 2 C r M o 、3 5 C r M n S i ，我国截齿钢材普遍采用3 5 C r M n S i 。国产截齿齿头普遍 采用Y G S c 、Y G l lc 、Y G l3 c 等几种牌号的硬质合金。齿尖钎焊焊料多采用 铜基钎料。齿体材料应具备良好的硬度、韧性和高的耐磨性，硬质合金齿 头应具备很好的硬度、耐磨性、抗弯强度和冲击韧性。 采煤机截齿采用的工艺存在焊缝质量差，存在着焊缝裂纹等问题。国 产截齿合金一般含钴量偏高，组织不完整，密度低，硬度不高，致使截齿 合金刀头耐磨性能差。而截齿齿头部则是由于原材料质量性能不稳定，截 齿热处理工艺不高等原因造成截齿头部有裂纹、硬度不高，影响其耐磨性。 应研制出抗冲击、耐磨、无裂纹的合金头。 b ． 截齿类型与型号选用 煤层的物理机械性质不同，各种采煤机的运动学参数也不同，而且同 一型号的截齿的适应性是有限的。由于截齿的型号选择不当，是造成截齿 失效的另一主要原因。 c ． 截齿在滚筒上的排列与配置 截齿在滚筒上的排列与配置不能任意处置，要与煤层特征和采煤机技 术参数严格一致。许多煤矿由于截齿排列不当，使截齿严重失效，齿耗极 高。 d ．工人操作 工人操作不当也是造成截齿失效的主要原因之一。如截割顶、底板岩 石，截割液压支架顶梁，工作面输送机蛇形弯曲段太短，采煤机在蛇形弯 曲段牵引速度过高等。 以上这些因素除外，当镐型截齿在 A 截割过程中不旋转时，在齿尖两侧发生 较严重的磨损 如图3 1 所示 ，出现 明显的划伤刻沟，继而使合金头外露， 直至脱落，使截齿很快失效。 3 ．2 ．2 提高截齿可靠性的主要措施 一 图3 1 齿尖磨损图 在国内外科研与生产实践中已经总结出许多卓有成效的提高截齿可靠 性的措施和经验。只要我们在截齿、采煤机螺旋滚筒的设计、制造和使用 过程中予以足够重视，认真采用，截齿的可靠性一定能得到提高。概括起 辽宁J 硝技术 等硕士割立论文1 3 来提高截齿可靠性的主要措施和经验有 a ． 提高截齿、滚筒的制造质量，在制造厂要加强质检工作，严把质 量关。在煤矿要施行截齿和滚筒的验收制度，不合格产品要退货。 对现有截齿制造工艺进行改进，如严格控制加工尺寸和焊前处理使 用强度高、韧性好的焊料，如c u 基、A g 基合金焊料，同时改进截齿生产 工艺。采用空冷贝氏体钢、准贝氏体钢、4 5 钢复合渗硼工艺等做截齿齿体 材料。采用钢结硬质合金为刀头材料，还有采用陶瓷复合材料作截齿刀头。 采用热装法连接截齿刀头工艺。文献[ 4 ] 对耐磨蚀涂层径向截齿的研究，为 截齿的发展提供了一种新方法。 发展符合性能要求的新工艺、新材料，达到多方面优化。如考虑生产 加工过程难易、成本高低、原料获取等因素，同时应不断试验，加强实践， 尽快将研究成果转化为实际生产。 b ．掌握煤层的赋存状态和物理机械性质，然后据此正确选择截齿和 设计滚筒的技术参数。 c ． 加强对有关摩擦、磨损机理研究，促进加深对截割过程中截齿与 煤接触的认识，为更好的解决有关问题提供理论依据。 d ． 对提高采煤机操作人员的文化素质和技术水平予以足够重视，对 他们进行技术培训，实行持证上岗，按技术规范操作采煤机，避免操作失 误。 为实现高产高效矿井，目前采煤机的发展方向中大功率、大截深已是 势在必行。因此应注意截齿截割机理研究及受力状态分析。根据刀齿、镐 齿各自结构特点进行改进设计，如增大镐齿长度以适应发展的需要。同时， 必须保证各零部件间达到最优组合、配置，以提高生产效率和效益。 由于镐型截齿在截割中不旋转时，磨损不均匀且较严重。为实现均匀 磨损，使截齿保持工作状态，应在设计等多方面增加镐齿的旋转可能性。 因此，对镐齿可否旋转的研究非常重要，分析其在截割中的受力状况，得 出旋转的条件，进而针对一些影响因素，增加截齿旋转可能性，以减少磨 损、降低齿耗。 辽f 魄燃媸铜吐学E 论文 1 4 3 ．3 对镐型截齿 带有齿套 在工作过程中受力分析 镐型截齿在截割煤岩过程中，不旋转时导致不均匀磨损，且磨损严重， 磨钝的镐齿截割时，截割阻力增大，因此，镐齿的截割性能下降，能耗增 大，失效很快。而在截割中齿座的磨损也很严重，而且齿座焊接在滚筒上， 更换齿座比较困难。为减少更换齿座的困难，在镐齿和其齿座之间安装齿 套，这样可以减少对齿座的磨损，亦即减少更换齿座的困难，当齿套磨损 时，可容易地更换齿套。而且，加入齿套使截齿可在齿套内回转，齿套又 可在齿座内回转，由一个回转副变为两个回转副。现在一种新型的结构已 经被设计出来，齿套上设计有凸台 齿座上，齿套不能旋转。 凸台卡在齿座的槽里，使齿套固定在 镐型截齿在截割中的旋转与否非 常重要，因此必须对其进行深入的研 究，下面即是对在工作过程中镐齿及齿 套的受力状况进行分析，得出了镐齿和 齿套的旋转条件及状态，并进行了相关 分析。 3 ．3 ．1 镐齿、齿套及齿座的结构 镐齿通过胀套联接安装在齿套内， 齿套由挡圈固定安装在齿座内，结构如 图3 2 所示 图3 2 齿、齿套结构图 以J G Q 3 5 ／1 0 0 型镐型截齿为例进行分析，图3 3 为其外形及几何尺寸。 图3 3 J G Q 3 5 ／10 0 型镐齿几何尺寸图 逊于功啦林大翔刊等4 壹论文 j 5 3 ．3 ．2 镐齿和齿套在截割状态中可否旋转分析 采煤机截齿截割煤岩，自然要受到煤的作用力，而截齿安装在齿座内， 还受到齿座的约束力，以及自身的重力。 镐齿在截割煤岩过程中，受到煤体的作用力可分解为截割阻力z 、牵 引阻力Y 和侧向力x ；还与齿套接触，受到齿套的作用力。当镐齿两侧的 煤不等时，镐齿受到煤体的作用力使截齿有绕自身轴线旋转的趋势，而齿 套对截齿的作用力起到阻止作用。如果截齿所受主动力矩 使其具有旋转 趋势的主动力形成的对截齿轴线的力矩 大于阻力矩 齿套给予的摩擦阻 力形成的力矩 ，则截齿能旋转，否则，不能。 同时，齿套受到截齿的反作用力，使其有绕齿套轴线旋转的趋势，而 齿座对齿套的作用力阻止齿套运动，如果截齿给予齿套的主动力矩大于齿 座对齿套的阻力矩，则齿套能旋转，否则，不能。 下面首先对安装在滚筒螺旋叶片上的截齿进行分析。 3 ．3 ．2 ．1 镐齿在截煤过程中与煤接触部分分析 为分析问题，将图3 3 中镐齿的形状简化为图3 4 中的形状。 卜＼＼ 图3 4 镐齿形状简化图 镐齿齿尖破碎煤体，齿尖部分与煤体的接触作用非常重要，由于截齿 形状复杂，将镐齿前面锥角角度较大的两段合为一段，至第三段圆锥起始 处，均按齿尖最大锥角角度计算，并将此段视为齿尖部分，如图3 4 所示。 本论文按齿尖锥角为基础延伸成为的圆锥体，研究煤对其的受力状况，如 图3 4 中虚线所示。当受力作用位置在齿尖时，所求位置为真实位置，当 在齿尖以上部分时，需将求得的受力作用位置由虚线圆锥表面移至实际齿 辽宁坷蜡蚓封浮硕士荆立论文1 6 身圆锥表面位置 在垂直轴线的同一截面内 ，再按此实际位置进行分析。 还作如下假设 a ．截齿在分析中视为刚体； b ．截割时，齿尖轨迹都是以滚筒轴线为中心的圆； c ． 分析问题时，认为截齿处于瞬时静止状态。 图3 5 镐齿截割断面图 图3 5 【5 】中，在截齿圆锥与A A 截面相交的椭圆面内，由轨迹切线 上的点作椭圆的切线，则切点的位置为截齿接触煤与不接触煤的分界。截 齿向前截割，煤与截齿接触部分应为一侧边界线至另一侧边界线的圆锥表 面。这是单齿截割情况。 ＼ ＼／卜齿失轨址训缱 ＼、 灯名 弋≤ 0 1 t 班⋯彳、_ { 多 ‘Y 二| | f Ⅱf ＼ ＼ f夕 abc 图3 6 镐齿与煤接触边界线图 辽宁五闰彭舀，厕吐学位论文 在图3 6 中 五一过齿尖M 的轨迹切线与截齿轴线M O 间夹角 由于截齿尺寸和滚 筒尺寸相比很小，所以认为安装角庐和A 相等，在以后分析中均将丑视为安 装角西 ； 口一齿尖圆锥角； 臼一D M 与截齿轴线间夹角； D 膨一切点 C 、F 到齿尖连线在截齿圆锥最大截面的投影； 如果过齿尖轨迹切线 E M 上一系列点作垂直轨迹切线的截面，则与 截齿圆锥相交得到一系列椭圆面，过齿尖轨迹切线上的这些点 如E 在 相应的垂面内作椭圆的切线，则得到一系列切点 如C 、F ，若这些切点 即截齿截割过程中与煤接触部分的边界点 中的任一点与齿尖的连线在 截齿圆锥最大截面的投影 如D M 在同一条直线上，则所有投影为同一 条直线。因此，所有切点与齿尖连线 即实际接触部分边界线M C 、M F 为同一条直线，则所有切点在一条直线上，因此，截齿与煤的接触边界线 为一条过齿尖与切点的直线。证明如下 由图3 6 a 中，过点点所作截面与齿尖圆锥母线交于4 、丑两点，设 E M d 。 设所得椭圆截面长轴为2 口，则2 a A B ，由图a 中几何关系可推导出 口 鲁[ t a n ≯ 譬] 一t a l 】 ≯一譬 ] ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 - - 1 设H 为椭圆的中心，椭圆短轴为2 b ，则由图c 可知且，_ 6 ，由图可推 导出 扣J 雩端铲拙唧销p 删圳帅玎州】 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 3 2 以椭圆中心日为坐标原点，长轴方向为X 轴，短轴方向为y 轴建立坐 标系如图b 所示，可通过推导得到切点c 、F 。 由图a ，在A O D M 中，s i n 0 丝，由几何关系可推出 辽宁呀呈I 努乞唱鲡E 皓粒} ＆文 t a n 驴一d t a n q k f l ／2 a j _ i 五蒜] c 。s 驴 d ．t a n q f l ／2 - a d ．t a n k f l ／2 - a d 2 因n 、b 由式 3 一1 、 3 2 知均为d 的倍数，则在式 3 3 中， 可约去d ，得到s i n 0 为庐、卢的函数，与d 无关。又由于对选定的截齿类型 和型号，则∥为定值，同时对选定的截齿安装角度，则庐为定值。对前述 截齿类型，则卢为8 0 。，≯选为4 5 。。由式 3 3 知0 由∥、≯确定，因 此，0 为定值。由此可知，对任意的切点，齿尖与切点的连线在截齿圆锥 最大截面的投影与截齿轴线的夹角为定值，因此齿尖与切点的连线在同一 条直线上，即截齿与煤实际接触边界线为一条直线。 q 途随 ＼j 、／ 夕么 秽蛩 图3 7镐齿与煤接触部分投影图 图3 7 中，当截齿截煤过程中，切屑厚度为h 时，截齿与煤实际接触 部分在截齿圆锥最大截面投影为A D T M ，直线Q r 为上一次截割轨迹切线。 由图可求出其中D 点位置。 3 ．3 ．2 ．2 镐齿侧面与煤接触部分受力分析 镐齿截煤过程中，镐齿与煤接触部分立体图如图3 8 所示。 r ∽L 一 b 图3 8 镐齿与煤接触部分立体图 从图3 8 b 中可看到镐齿与煤的接触部分在两接触边界线之间。这里， 只老虑单齿截割的受力情况，而在实际滚筒中有很多截齿，截齿排列方式 不同，截齿与煤接触部分多少不同。 当截齿排列方式为棋盘式排列时，每个截齿的截割均属于浅封闭式截 割，切屑厚度大，截齿两侧的侧向力几乎相等；顺序式排列时，每个截齿 的截割均属于半封闭式截割，有明显侧向力。以下所作分析考虑截齿顺序 式排列情况，并且认为截齿一侧有煤，一侧煤很少，相当于没有煤，即图 3 8 中仅T M F 曲面一侧有煤。在这种情况下对截齿侧面上煤对其作用力 进行分析，以求出煤对截齿的作用力位置。 1 假设在截齿侧面上，煤对截齿的压力在截齿圆锥表面单位面积 上的压力相等，用q 表示。在图3 9 a 中，截齿与煤接触部分的侧面为曲 面T M F ，为研究方便，将此曲面分为两部分T M T ’和刀F 。 j r P 日刳勤刚焉蛳吐学位p ＆文 0 1 ，／7 一 ～ ．f O r 、 。卜 ，彳’ t 一 一～o ，j ＼／一一一 l 。- ．／、／＼，0 卜～～ 酾 ＼，么，、／ 1 卜尘 ’砥 { I } { Q 图3 9 a 截齿侧面与煤接触部分立体图 图3 9 b 截齿侧面与煤接触部分投影图 图中， 矽一截齿安装角； 口一过接触线M F 和圆锥轴线M O 的截面O M F 与截面O T M Q 间的 夹角； y 一过侧面两接触边界线的两截面0 l M r 、O l M T ’之间的夹角。 在图3 9 a 中，设0 l T 为r r 。由图3 9 a 、b 可推导出 辽订箍技朽嬉翔列等釉论文 ～可习h2 硐hc 。乇三一≯一譬js ；n l ≯ 譬j 还可推出，c o s a 2 而O D 2 蕊t a n O 2 式中，0 可由式 3 3 求出。 y