截齿主要失效形式为刀头脱落、崩刀和刀头、刀体磨损，在某些工况条件下也经常因为刀体折断造成截齿的失效。由于截齿刀体的机械性能好坏直接影响截齿的使用寿命，所以合理选择截齿刀体的材质和有效的热处理方式，对减少截齿刀体的磨损折断、降低采煤机截齿消耗量、提高采煤机械运转率、增加采煤生产的综合经济效益，都有积极的意义。
截齿失效原因：
通过对国内截齿损坏形式的调研和对一些国内外截齿的解剖分析及抗冲击性能试验,截齿失效原因主要有以下几方面:
1　抗冲击性能低
通过大量观察损坏的截齿,发现多数截齿的损坏不是正常磨损失效,尤其在硬岩截割中更为严重。原因如下。
(1)合金刀头的性能差。国产合金中有石墨杂质,晶粒分布不均匀,部分合金中有裂纹,这是造成硬质合金头崩裂的主要原因;其次是国产合金压制工艺比较落后,合金上下密度差大、孔隙多、硬度低。
(2)合金头钎焊残余应力大。由于合金刀头与齿体材料的热膨胀系数相差较大,且冷却时的收缩差随钎焊温度的增大而增大。国产截齿多采用铜锌钎料,其焊接温度达950℃以上,焊接残余应力较大。
(3)截齿齿体头部崩裂和偏磨使合金头过早失去保护支撑。其原因主要是国产原材料性能不稳定,部分原材料中心疏松严重,使截齿体内部有潜在裂纹。有的截齿在工作时不能自转,往往造成齿体的偏磨。
2　耐磨性差
耐磨性是指合金刀头和齿头部的耐磨性能。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。而截齿头部则是由于原材料质量性能不稳定和截齿热处理工艺不当等原因,造成截齿头部有裂纹,硬度偏低,影响其耐磨性。
3　掉合金头
截齿掉合金头是截齿失效的主要形式之一。截齿掉合金头现象分为早期、中期和后期掉合金头。其中早期掉合金头所造成的危害最大,截齿在很短的工作时间里,钎焊在截齿体上的硬质合金刀头便从截齿体上掉下,致使截齿提前报废。截齿的早期和中期掉合金头的原因主要是焊缝质量差,强度低,截齿体加工尺寸控制不严,造成焊缝间隙过大或过小,致使焊料流动困难,从而造成合金头“挤死”或“缺焊”。为此我国颁发的煤炭行业标准MT246 -1996《煤矿用截齿》中对截齿的焊缝提出了要求,要求钎焊焊缝的剪切强度 ≥180 MPa ,优质截齿的钎焊焊缝的剪切强度 ≥230 MPa ,另外要求焊缝内焊料充盈度不小于80 %。截齿掉合金头另外的原因就是合金头钎焊工艺不当和焊前处理不好。截齿的后期掉合金头是因为截齿体前端的过度磨损使得硬质合金刀头过分突出,焊缝面积减小,从而导致焊缝强度不够造成截齿掉合金头。因此,要解决截齿后期掉合金头,除了提高钎焊质量和焊缝强度外,更重要的是提高截齿体前端的耐磨性。

截齿的失效形式

截齿在截割煤岩时承受高的压应力、剪切应力 和冲击负荷,煤的硬度虽不很高,但其中经常会遇到

煤矸石等硬的矿料,并且在采煤和凿岩过程中,截齿还有升温问题,导致齿顶材质软化,加速了截齿的失效过程。
刀头脱落当截齿磨损到一定程度后,其齿尖的硬质合金(刀形齿为合金片,镐形齿为合金头)将脱落。
刀头脱落的原因主要有2个方面:
(1)钎焊质量问题,如焊接处存在夹砂、微裂纹以及虚焊等缺陷;
(2)截齿在截到煤岩时承受的强大冲击负荷,致使缺陷产生应力集中,反复的冲击,必然导致合金刀头的松动,直致脱落。脱落硬质合金刀头的截齿已经完全失效。
刀头碎裂(崩刃)截齿截割煤岩时在冲击载荷的作用下,刀头处于高压应力状态。若遇到煤岩中坚硬的矿料,

在齿刃与煤岩接触不良处承受高的剪应力,处于拉应力状态,当拉应力超过合金的强度极限时即发生碎裂, 对于刀形齿来说表现为合金片的断裂,而镐形齿为镶嵌刀尖的折断。合金刀头碎裂—崩刃后,截齿缺乏锐利的合金齿尖,使截割阻力剧增,直接影响生产效率的提高,且加剧了截齿的磨损。
截齿的磨损
(1)磨粒磨损截齿在工作过程中,磨粒(煤矸石等)与截齿表面间产生较大的压应力,带有锐利棱角并具有合适的迎角的磨粒能切削截齿表面形成显微切削;如果磨粒不够尖锐或刺入截齿表面角度不适当,则在截齿表面挤出犁沟,随着截齿工作时间的延长,磨粒反复对截齿表面推挤,产生严重的塑性变形流动,

使得表面下层塑性发生相互作用,导致塑变区内位错密度增加,变形材料表面产生裂纹,裂纹扩展,截齿表面形成薄片状磨屑。而且煤层中存在腐蚀性介质与截齿表面发生化学反应而造成表面材料腐蚀,机械性能下降,并使表层金属与基体材料结合力降低,加快了截齿材料表层的磨损。

仅ZZS6000A、ZZS5600、ZFS7500及ZZ5000四种液压支架共400余件铆焊结构连接头分别在晋华宫矿、雁崖矿进行工业性试验,性能可靠,使用效果良好,受到了用户的一致好评,该结构连接头具有良好的使用发展前景。

(2)热疲劳磨损截齿在截割煤岩时,承受高的间歇式的冲击载荷,为了分析其对截齿表层的破坏,可将冲击载荷分解成法向力和切向力。法向力和切向力通过接触点作用传递到截齿次表层,在这些力的作用下,截齿表面上较硬的微凸点将变形,反复挤压导致附近软表面产生塑性流动并在截齿亚表面层形成积累。同时截齿截割煤岩时,由于磨损热使刀头磨损表面产生600～800℃的高温,而截齿截割煤岩是周期性的回转运动,故升温是交变的,当刀头接触煤岩时升温,离开煤岩时降温,使截齿齿顶产生高温回火,其组织一般为回火索氏体和铁素体,其硬度下降50%,加速了截齿的磨损

。由于截齿表层温度的不断变化,材料表层进一步软化,导致塑变区内出现波浪式塑性流动和位错密度增加,反复的弹塑变形,又使位错集中,继而在表层出现横向微裂纹。 大量的调研表明,各矿用截齿的失效各不相同,软质煤或夹矸少的各矿,截齿失效以多次磨损为主

,硬质煤或夹矸多的各矿多以合金头崩碎、丢失和杆断为主。 一般来说,被磨材料的硬度与抗磨料磨损性能成正比,但在复杂的工况条件下,高硬度不一定对应高的耐磨性,尤其在受冲击载荷时更是这样。同时在截齿的磨损失效过程中,材料的硬度和磨料的硬度都不是一个准确值,因为材料中可能存在软的部分(如硬质合金中的粘结相,刀体中的铁素体相),软磨料中也可能存在硬的粒子(如煤中的黄铁矿、石英等),煤实际上是一种混合磨料,其中软磨料对截齿表面反复挤压导致材料的疲劳磨损,而硬磨料则直接犁切截齿表面。

齿身弯曲当截齿承受很大的外力时,导致截齿的结构尺寸、刚度、布置方式等方面发生变化,引起齿身弯曲。齿身弯曲多发生在径向布置(弯矩较大)的刀形齿上。齿身弯曲后,截齿受力状态改变,就不能很好地完成截割任务。
齿身折断由于截齿齿身强度不足,截齿截割坚硬岩石或包裹体夹杂物时,载荷加大,超过截齿许用强度时就容易引起齿身折断。
截齿丢失在实际使用过程中,截齿的丢失现象也是普遍存在的问题。 截齿丢失的主要原因在于:截齿固定不可靠或固定装置磨损等等。为了分析比较截齿的各种失效程度,取7种不同截齿的失效形式统计,得其各失效形式的百分比(图略)。 由百分比图可见,各种截齿的失效形式所占比例不同,依重轻程度的次序分别为:磨损、刀头脱落、齿身折断、齿身弯曲。约有50%的截齿失效是由磨损造成的。

解决方案 对策探讨
(1)由于截齿在截割煤岩时承受高压应力、剪切应力和冲击负荷,因此,在保证截齿表面足够的耐磨性的同时,要注意截齿材料的韧性,以提高截齿的综合机械化性能,延长截齿的使用寿命。
(2)改进截齿齿体与齿头的复合形式。传统的截齿采用钎焊工艺,存在齿体与齿头的硬度梯度较大(HRC30～70)和钎焊焊缝强度低等缺陷。采用镶铸工艺,刀头硬质合金与截齿体产生熔合层,解决了硬质合金与截齿体间的联接问题,大大提高了固接强度,而且铸钢往往具有二次硬化效应,在保持齿头高硬度的同时,基体具有较高冲击韧性,能够满足整体性能要求。
(3)正确地选用截齿的类型。镐形齿适用于层理、节理发达或含夹石的脆性煤岩,而刀形齿适用于截割坚韧以及层理和节理不发达的煤岩。同时在煤质软和夹矸少的地方,使用齿体硬

度高些(如HRC52),αk值相应低些的截齿,相反,则应考虑提高材料的塑性和韧性,稍微降低一些硬度(如HRC38～43)。
(4)合理地选择截齿的几何参数和排列方式。截齿的几何参数对截齿的截割性能和寿命影响很大。几何参数选择直接影响截齿的截割阻力、轴向力大小。截齿排列方式对工作机构的截割状态有重要影响,对不同物理机械性质的煤岩,应选择不同的排列方式,设计不当,则截齿的可靠性将显著地降低。齿身寿命与煤层中坚硬成分的含量和作用载荷有很大关系,而载荷大小取决于截割参数,在高载荷的切削条件下,齿身寿命急剧下降,比其磨损寿命还要低。
(5)截齿的制造质量对截齿的失效有重要影响。从制造工艺上,截齿与齿座配合是否恰当、间隙大小、合金与齿体焊接质量等方面,都要注意保证截齿的制造质量。 硬质合金镶嵌在齿尖处,它是直接参与截割的。对于不同的煤岩,其截割阻力和牵引阻力不同,焊缝的受力也不一样。因此,截齿制造时要充分保证焊接的质量。 合理选择截齿的尺寸公差的精度,使固定件物理机械性能满足要求,截齿才能固定,防止丢齿。 齿座的热处理工艺、齿柄与座孔间配合表面的间隙以及硬度都要达到冲击载荷的要求,这样截齿和齿座才能承受较大的力,避免截齿失效。