国内矿用镐形截齿的研究现状及趋势
李建楠，李惠琪，王淑峰，迟 静
煤矿机械
摘 要： 分析了矿用镐形截齿的工况条件和失效形式，综合研究各种改进措施和技术手段，对进一步改进采煤机截齿的生产工艺，提高截齿的截割性能和使用寿命，降低煤炭企业生产成本具有重要意义。
关键词： 截齿； 失效形式； 改进措施； 发展趋势
1矿用镐形截齿的工况条件分析
采煤机截齿截割煤层时，截齿随螺旋滚筒以回转方式推进截割。 采煤机截齿工作过程中与煤层直接接触，其磨粒磨损特性与煤层结构及硬度很有关系，煤硬度较低，一般为 HV100~420，但由于煤里常会有不同硬度的杂质，硬度很高，煤中的石英和黄铁矿对截齿的磨粒磨损特性影响最大，其硬度可达HV900~1100。
由于产生磨损热，在截割煤岩时，截齿磨损表面能够产生 600~800 ℃的高温。 但截齿截割煤岩是周期性的回转过程，因此升温是交变的，当截齿接触煤岩时升温， 离开时降温， 齿顶产生高温回火，使截齿硬度值下降 50%左右，加速了截齿的磨损。
截齿在截割煤岩时，需要承受很高的压应力，截割应力及周期性的冲击载荷。 当滚筒式采煤机运行时， 截齿处于截割煤的工作状态为间歇冲击式，每旋转一圈截齿大约有 1/2 的时间接触煤壁而作功，1/2 时间为空转。 同时煤层与截齿相互作用产生磨损，在磨损过程中，会伴随有腐蚀和热疲劳甚至断裂等力学行为。
2矿用镐形截齿的失效形式研究
截齿在截割煤岩时， 截齿以回转方式推进截割。 由于工况条件复杂，截齿工作过程中承受着高的压应力和剪切应力及高温、腐蚀、硬矿物夹杂和周期性冲击载荷等破坏因素，因此常造成截齿的失效。 尤其是国产矿用截齿，存在截齿硬度偏低、晶粒细小、钎焊强度较低、韧性不足等问题，使用寿命仅为进口截齿的 60%。 煤矿现场调查表明，截齿的主要失效形式包括截齿磨损、齿身弯曲或折断、截齿齿头脱落、截齿齿头碎裂（崩刃）及截齿丢失等。
（1）截齿的磨损
造成截齿磨损的主要因素是煤中夹杂的硬矿物质（例如石英和黄铁矿）对截齿齿头造成磨损；矿井下环境介质的腐蚀，也会造成腐蚀磨损；截齿截割过程中承受由摩擦热产生的周期性交变热应力使截齿生成热疲劳裂纹，从而造成热疲劳磨损。
（2）齿身弯曲或折断
齿身弯曲或折断也是截齿失效的一种形式，其原因是齿体材料及热处理制度不合理或工艺控制失误。 如果截齿齿体强韧性不足，在截割坚硬岩石或包裹体夹杂物时，由于载荷突然加大，便会发生齿体的弯曲或折断现象。
（3）截齿齿头脱落
截齿工作过程中齿头与煤岩剧烈摩擦，齿头和齿体同时磨损， 但是硬质合金刀头磨损量小于齿体，造成了截齿齿体前部锥体部分快速磨损，使硬质合金刀头过早暴露出来并脱落。 截齿脱落的部位见图 1 中的齿头。 造成截齿齿头过早脱落的主要原因有：①在截齿齿头和刀体间钎焊层，由于存在夹砂、微裂纹及虚焊等问题，未能达到要求的焊接强度；②截齿发生偏磨现象，造成齿体在使用过程中磨损过度，容易造成齿头裸露而脱落；③在截割煤岩时，截齿齿头受到强大反复的冲击负荷，导致齿头松动甚至脱落。
（4）截齿齿头碎裂（崩刃）
在冲击载荷作用下，截割煤岩时截齿齿头处于高压应力状态。 如果遇到夹杂的硬矿物质（石英和黄铁矿）， 截齿齿头刃部与煤岩接触不良处就会处于拉应力状态。 当拉应力超过合金强度极限，就会造成截齿尖部的折断。 刀头碎裂后，截齿没有了锐利的齿尖，截割阻力就会剧增，直接影响了生产效率，而且也加剧了截齿磨损。
（5）截齿丢失
在实际工作过程中，由于截齿固定不可靠或固定装置磨损等原因还会经常发生截齿丢失的现象。
1. 过早磨捡 2. 齿头脱落 3. 崩刃 4. 断裂 5. 正常磨捡据统计（见图 2），镐形截齿的主要失效形式中，崩刃占 10%~15%，过早磨损占 20%~25%，齿头脱落占 25%~30%，断裂占 5%~10%，正常磨损占 20%~40%。 这就造成硬质合金等原材料的巨大消耗和生产成本的增加。
3矿用镐形截齿的主要研究方向及趋势
镐形截齿的截割性能， 不但受到工况环境、地质条件、截齿制备工艺的影响，也和截齿的排列方式、安装角度等因素紧密相关，为进一步改进截齿的耐磨性、冲击韧性、结构强度，提高截齿的整体性能，减少截齿的各种失效形式的发生，科研和工程技术人员从多个方面对采煤机截齿进行了优化和改进：
（1）研制新型高性能截齿齿头
齿头是截齿工作过程中直接截割煤岩的部位，齿头的性能优劣，直接决定了截齿的截割性能。 目前国内用做截齿齿头的硬质合金存在杂质空隙多，晶粒细小， 组织不均匀和刀体钎焊强度较差等问题。 通过研制新型高性能截齿齿头可有效提高截齿的使用寿命。
①改进成型工艺和合金制取工艺，通过选用优质原料(高纯钨粉、高温还原、高温碳化)研制截齿齿头,提高了截齿齿头的寿命；
②2009 年邵浩明等人采用国产六面顶压机，研制了高性能金刚石复合截齿齿头，使截齿齿头既具有硬质合金的高抗冲击性，又具有金刚石聚晶的高耐磨性，提高了截齿的综合性能；
③2009 年冯婷等人通过原位冶金方法制备新型等离子梯度硬质合金齿头，采用等离子梯度冶金技术，实现截齿齿头材料的梯度分布，在保证截齿齿头头部高耐磨性的同时， 制备出了高强韧齿头，提高了截齿整体的冲击韧性和耐磨性能。
（2）进行截齿表面处理，提高截齿的耐磨性能
截齿的耐磨性是影响截齿截割性能的主要因素，为提高截齿的耐磨性能，采取的主要技术手段有：
①采用热喷涂技术对截齿表面进行处理，在截齿头部喷焊高硬度耐磨合金，可以保证耐磨合金层和截齿体良好结合，使其具有硬度高、不脆裂、耐磨的特点，其使用寿命可以达到传统的镶嵌合金截齿的 1.5～2.0 倍；
②利用堆焊技术对截齿表面进行处理，在镐形截齿头部， 根据截齿形状要求分层堆焊出截齿头部。 堆焊涂层的主要成分与钨系高速钢基本一致。在堆焊过程中，表面涂层处于熔融状态，涂层结构类似铸造高速钢组织（由骨骼状共晶莱氏体及奥氏体转变产物构成）， 可以保证其具有较高硬度和耐磨性。 涂层硬度可以达到 HV660，其抗冲击性能优于硬质合金；
③利用等离子束表面冶金技术进行截齿表面处理。 这是一种快速非平衡冶金反应过程，可以不受相溶性、密度、熔点等限制。 利用其任意粉末和任意配比的优点，获得传统冶金方法无法获得的合金层，是继热喷涂、堆焊和熔覆后的新涂层技术。 采用等离子束表面冶金技术制备的高硬度、高耐磨和耐蚀的合金涂层， 能够有效地保护硬质合金齿尖，从而截齿寿命可以提高 2 倍以上，而制造成本可降低1 ／ 5，具有广泛的推广应用价值；
④采用硬质合金表面烧结金刚石。 有些学者正在研究在传统硬质合金齿头表面烧结一层金刚石，可以提高齿头截割硬煤岩的能力，同时利用截齿表面处理技术，改进截齿的锥体部分，使齿头与齿柄部分耐磨性能大幅度提高；
⑤采用化学热处理方法强化截齿表面。 通过对比试验，研究在截齿表面进行渗碳、碳-硼复合渗、碳-铌复合渗等化学热处理方法强化截齿齿体表面，有效提高了截齿齿体的耐磨性。
（3）采用新型结构设计和制备工艺 ，改进截齿截割性能
①李乔非等人通过焊接工艺方法制造耐磨钢与高强钢复合截齿, 使齿身具有较高的强度和冲击韧度，提高了截齿刃部的硬度和抗磨性,从而大幅度提高截齿的使用寿命；
②2011 年段建平等人通过设计伞帽状硬质合金截齿齿头，改进截齿设计结构，提高截齿刃部的耐磨性能和使用寿命；
③改进截齿结构设计， 实现截齿的自动刃磨。通过增大齿头直径与齿柄直径比值， 在截割过程中，截齿在齿座中可以实现自动旋转，达到自动刃磨，从而提高截齿齿头的寿命；
④利用镶铸工艺制备截齿。 魏绪树等人采用镶铸工艺，通过将制备好的铬系耐磨合金齿头预置于型腔内， 采用低合金钢浇铸成型的方法制备截齿，使齿头表面与齿体之间形成冶金结合层，以克服截齿由于钎焊强度不够造成的齿头脱落现象。 镶铸复合工艺提高了截齿的耐磨性能，延长了截齿的使用寿命；
⑤2009 年刘送永通过对不同形状、不同合金头直径和齿身锥度的截齿进行截割实验研究，得出了各种参数和截割力、块煤率的关系。 为进一步优化截齿的设计尺寸提供了依据。
（4）采用现代设计理论，优化截齿安装参数，改进截齿截割性能
①李晓豁、刘送永等人通过计算机仿真和实验研究， 分析了截齿不同排列方式对其截割性能、块煤率及采煤机载荷的影响；
②高魁东等人参照 Evans 镐形截齿破煤模型的建立过程，在综合考虑煤岩压酥效应、煤壁倾角及截齿安装角的基础上，对截齿破煤过程的力学分析建立了数学模型，并进行了仿真研究，提出可通过优化截齿的安装方式来提高截割效率；
③姬国强、 白学勇等人利用 ANSYS 软件建立了截齿截割煤岩的有限元模型，对截齿进行了静力学和动力学有限元分析，模拟了镐形截齿截割煤层的动态过程，提出了截齿的优化方案。
4结语
矿用镐形截齿是现代化煤矿生产的重要易损件，在使用过程中常发生齿头脱落、崩刃等失效形式。 目前国内主要采取研制新型高性能截齿齿头、进行截齿表面处理、 优化结构设计和制备工艺、优化截齿安装参数等措施进行改进。 这些研究和改进措施， 使截齿的性能和使用寿命有了很大的提高。但就截齿的质量而言，与国外产品仍存在一定的差距。 还需从生产工艺、材料制备、磨损机理等方面进行大量深入的研究，来改善截齿的综合性能，提高我国采掘机械的生产效率和经济效益。
参考文献略
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