1.1采煤机的主要组成部分

采煤机的类型很多，但基本上以双滚筒采煤机为主，其基本组成部分也大体相同。各种类型的采煤机一般都由下列部分组成。

图1 双滚筒采煤机
1—电动机；2—牵引部；3—牵引链；4—截割部减速器；
5—摇臂；6—滚筒；7—弧形挡煤板；8—底托架；9—滑靴；
10—调高油缸；11—调斜油缸；12—拖缆装置；13—电气控制箱
（1）截割部
截割部的主要功能是完成采煤工作面的截煤和装煤，由左、右截割电机，左、右摇臂减速箱，左、右滚筒，冷却系统，内喷雾系统和弧形挡板等组成。截割部耗能占采煤机装机总功率的80%-90%，因此，研制生产效率高和比能耗低的采煤机主要体现在截割部。
传动装置：
截割部传动装置的作用是将采煤机电动机的动力传递到滚筒上，以满足滚筒转速及转矩的要求；同时，还应具有调高功能，以适应不同煤层厚度的变化。
截割部的传动方式主要有一下几种：
a）、电动机-摇臂减速箱-行星齿轮减速箱-滚筒
b）、电动机-固定减速箱-摇臂减速箱-滚筒
c）、电动机-固定减速箱-摇臂减速箱-行星齿轮减速箱-滚筒
d）、电动机-摇臂减速箱-滚筒
螺旋滚筒：
螺旋滚筒是采煤机落煤和装煤的工作机构，对采煤机工作起决定性作用，消耗总装功机率的80%-90%。早期的螺旋滚筒为鼓型滚筒，现代采煤机都采用螺旋滚筒。螺旋滚筒能适应煤层的地质条件和先进的采煤方法及采煤工艺的要求，具有落煤、装煤、自开切口的功能。近些年来出现了一些新的截割滚筒，诸如滚刀式滚筒、直线截割式三角形滚筒、截楔盘式滚筒等。
滚筒由螺旋叶片由螺旋叶片、端盘、齿座、喷嘴、筒毂及截齿组成。
（2）牵引部
采煤机的牵引部是采煤机的重要组成部分，它不但负担采煤机工作时的移动和非工作时的调动，而且牵引速度的大小直接影响工作机构的效率和质量，并对整机的生产能力和工作性能产生很大的影响。
牵引部由牵引传动装置和牵引机构两大部分组成。传动装置的重要功能是进行能量转换，即将电动机的电能转换为传动主链轮或者驱动轮的机械能。牵引机构是协助采煤机沿采煤工作面行走的装置。传动装置装于采煤机本身为内牵引，装在采煤机工作面两端的为外牵引。绝大部分的采煤机采用内牵引，仅在薄煤层中为了缩短机身长度才采用外牵引。随着高产高效工作面的出现以及采煤机功率和牵引力的增大，为了工作面更加安全可靠，无链牵引机构逐渐取代了有链牵引。
（3）电气系统
电气系统包括电动机及其箱体和装有各种电气元件的中间箱（连接筒）。该系统的主要作用是为采煤机提供动力，并对采煤机进行过载保护及控制其动作。
（4）辅助（附属）装置
辅助装置包括挡煤板、底托架、电缆拖曳装置、供水喷雾冷却装置，以及调高、调斜等装置。该装置的主要作用是同各主要部件一起构成完整的采煤机功能体系，以满足高效、安全采煤的要求，改善采煤机的工作性能。
MG500/1130-WD 型电牵引采煤机，属多部电机横向布置形式。整机由左、右牵引部，左、右截割部，左、右行走部及电控箱组成，电气控制系统、液压传动系统及喷雾冷却系统组成机器的控制保护系统。
左、右牵引部、电控箱通过一组连接丝杠，形成刚性联接，左、右牵引部分别与电控部的左、右端面干式对接。两行走部分别固定在左、右牵引部的箱体上。牵引部与电控部对接面用圆柱销定位，高强度T形螺栓和螺母联接。
截割部为整体弯摇臂结构，即截割电机、减速器均设在截割机构减速箱上，与牵引部铰接和调高油缸铰接，油缸的另一端铰接在牵引部上，当油缸伸缩时，实现摇臂升降。支承组件固定在左、右牵引部上，与行走箱上的导向滑靴一起承担整机重量。

1.2采煤机的工作原理

单滚筒采煤机的滚筒一般位于采煤机下端，以使滚筒割落下的煤不经机身下部运走，从而可降低采煤机机面（由底板到电动机上表面）高度。单滚筒采煤机上行工作时，如图2（a）所示，滚筒割顶部煤并把落下的煤装入刮板输送机，同时跟机悬挂铰接顶梁，割完工作面全长后，将弧形挡煤板翻转180°；接着，机器下行工作，如图2（b）所示，滚筒割底部煤及装煤，并随之推移工作面输送机。这种采煤机沿工作面往返一次进一刀的采煤法叫单向采煤法。
双滚筒采煤机工作时，如图2（c）所示，前滚筒割顶部煤，后滚筒割底部煤。因此双滚筒采煤机沿工作面牵引一次，可以进一刀；返回时又可以进一刀，即采煤机往返一次进二刀，这种采煤法称为双向采煤法。

图2 滚筒采煤机的工作原理

第二章 截割机构与煤层特性

2.1 截割机构

截割机构由左右摇臂、 左右滚筒组成，其主要功能是完成采煤工 作面的落煤，向工作面运输机装煤和喷雾降尘。左、右摇臂内各装有 一台 200kW(250kW)(300kW)截割电机，其动力通过三级直齿轮减速和 一级行星齿轮减速传给出轴方法兰驱动滚筒旋转。
摇臂减速箱设有离合装置、冷却润滑装置、喷雾降尘装置等
摇臂减速箱为整体弯摇臂型式，除机壳外，其余零组件左、右通 用。左右摇臂减速箱壳体与左右牵引部机壳铰接，左右摇臂的小支臂 与左右调高油缸铰接，通过调高油缸实现摇臂的升降。摇臂和滚筒之 间采用方榫联接。
截割机构主要由截割电机、 摇臂减速箱、滚筒等组成，机构内设 有冷却系统，内喷雾等装置。
截割电机直接安装在摇臂箱体内，机械减速部分全部集中在摇臂 箱体及行星机构内。摇臂通过销轴与牵引部机壳铰接，其小支臂与安 装在牵引部上的调高油缸之活塞杆铰接，通过油缸的伸缩，实现截割 滚筒的升降。
截割机构具有以下特点:
(1) 摇臂的回转采用铰轴结构，没有机械传动。
(2) 摇臂减速箱机械传动都是简单的直齿轮传动，结构简单，传 动效率高。
(3) 截割电机和摇臂主动轴齿轮之间，采用细长扭矩轴联接，可 补偿电机和摇臂主动轴齿轮安装位置的小量误差，在扭矩轴上设有 V 型剪切槽， 受到较大的冲击载荷时，剪切槽切断，对截割传动系统的 齿轮和轴承及电机起到保护作用。
(4) 摇臂机壳内外均设有水道，在外喷雾降尘的同时，对摇臂减 速箱起到冷却作用。
(5) 摇臂行星传动 与臂身直齿轮传动分油池润滑，保证了行星头 部分 的润滑，整个传动系统润滑效果好。
(6) 摇臂减速箱内的传动件及结构件的机械强度设计有较大的

2.2 煤层特性

1 煤层的厚度
薄煤层 煤层厚度从最小可采厚度至1.3m
中厚煤层 煤层厚度1.3m至3.5m
厚煤层 煤层厚度3.5m以上
2煤层的稳定性
稳定煤层、较稳定煤层、不稳定的煤层、极不稳定煤层。1.3煤层的倾角
缓斜煤层0°～25°
倾斜煤层25°～45°
急斜煤层45°～90°
通常又把8°以下的煤层称为近水平煤层。
3.煤层顶底板岩石
煤层顶底板岩石是指煤系中位于煤层上下一定距离内的岩层。按照沉积的次序，在正常情况下，先于煤生成的岩石是煤层的底板，较煤后生成的岩层叫做顶板。
4.地质构造对煤层的影响
地质构造的形态多种多样，概括起来可分为单斜构造、褶曲构造和断裂构造。岩层的空间位置及特征通常用产状要素来描述。产状要素有走向、倾向和倾角。根据断层两盘相对运动的方向，断层分为：正断层、逆断层、平推断层。


第三章采煤机截齿的工作特性

3.1 采煤机截齿的工作状态

截齿分刀形截齿（径向截齿）和镐形截齿（切向截齿）两种。其中应用最广的是镐形截齿。传统的两类截齿的共同特点都是在截齿前端中心孔中镶嵌硬质合金头，硬质合金头用钎焊的方法镶焊在刀体头部。刀型截齿成本高，制造、拆装不方便。镐形截齿因其刀柄安装方向接近滚筒的切线，故又称为切向截齿。其刀柄部分为圆柱形，用弹簧圈固定在齿座中，拆装极为方便。结构简单，能点击刨煤，吃刀深度大，在工作中能自动磨锐而经常保持齿头锋利，采煤机负荷较平稳，因而较刀齿能耗小、寿命长，且煤尘量小、块煤量大，适于在硬煤中使用。
煤的切削破碎过程是采煤机的一个主要工作过程。为便于说明切削过程基本规律，将切削破碎过程，大致分为四个阶段：变形阶段，裂纹阶段，压实核形成阶段，裂纹扩展及崩裂阶段。上述煤岩截割破碎过程是把截齿切入煤体到切下大块煤作为一个循环。从宏观上看，整个煤炭切削过程，就是这4个过程的循环。在每一个循环中，4个过程都是瞬间完成的。如果把4个过程按特征来划分，还可以简化成两个阶段，两种形式的断裂。第一个阶段是经过弹、塑性变形，形成裂纹和形成压实核的储能阶段，这是第一种裂纹形式的断裂；第二个阶段为崩裂阶段，是在第一个阶段的基础上，由锥孔周围赫兹裂纹，在悬臂梁加载系统的作用下沿煤岩体内层理、节理弱面扩展、崩落，是崩裂形式的断裂。故可把镐形截齿破煤过程看成是两个阶段周期性交变过程。 工作过程中截齿与煤层直接接触，其磨粒磨损特性与煤层结构及硬度有很大关系，煤的硬度较低，一般为100-420HV，但由于煤层中常会有不同硬度的杂质，硬度很高，比如煤中的石英、煤矸石和菱铁矿等，其硬度为900-1100HV，对截齿的磨损失效影响很大。
截齿经长时间切削煤层，磨损产生大量热量，使齿体表面产生600-800°C的高温，而截齿切削煤层又是周期性的回转运动，故升温是交变的。当截齿接触煤岩时升温，离开煤岩时降温，这就造成截齿的高温回火，其硬度值下降50%左右，加速降低了截齿的寿命；截齿在切割煤层时，承受高的压应力，剪切应力和冲击负荷；由于井下环境介质的腐蚀作用，截齿的磨损还有一定的腐蚀磨损，在水煤浆腐蚀磨损中，除煤粒及硬矿物对材料表面造成的犁沟外，介质的腐蚀作用也大大加剧了材料的磨损。

3.2采煤机截齿的失效形式及原因

（1）硬质合金头脱落
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：
（a）钎焊质量问题。如焊接处存在夹砂、微裂纹以及虚焊等缺陷。截齿钎焊焊缝间隙的大小是影响焊缝致密性和焊缝强度的关键因素。如果间隙太小，会妨碍钎焊料流入。而间隙过大，则又会破坏钎焊缝的毛细管作用，使钎料不能填满焊缝间隙。截齿的钎焊是钢与硬质合金的异种材料焊接，考虑硬质合金的线膨胀系数是钢的1/2-1/3，因此钎焊缝间隙应比钢对钢焊接时稍小。通过对几种不同间隙焊缝的试验研究，结果表明，截齿钎焊缝间隙以0.09-0.16mm为宜。另外合金头和截齿体孔最好采用锥面配合，以保证硬质合金刀头周围焊缝间隙均匀一致。
（b）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。
（2）硬质合金头碎裂(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。造成硬质合金头碎裂的原因主要有两个方面：一是硬质合金中含有石墨杂质，晶粒分布不均匀,部分合金中有裂纹；二是硬质合金压制工艺比较落后，合金上下密度差大、孔隙多、硬度低。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。
（3）截齿的磨损
（a）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。
（b）热疲劳磨损
截齿截割煤岩时，由于磨损热使刀头磨损表面产生600-800°C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。
（4）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。
（5）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。
（6）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。

3.3 截齿综合性能标准

在采煤工况条件下，截齿齿体材料的硬度和韧性是同样重要的两项指标。硬度太高，韧性就太低，容易产生脆性失效；硬度太低，则容易产生折弯偏弯，只有良好的强韧性结合，才能保持截齿正常使用。下表是矿用截齿综合性能的国家标准。
表1.1 矿用截齿综合性能的国家标准

项目	头部硬度 （HRC）	柄部硬度（HRC）	冲击韧性（J/cm2）	焊缝抗剪强度（MPa）
标准值	≥40	40-45	≥49	≥180

第四章 国内现用截齿的状况

4.1截齿刀体常用材质

截齿在切割煤岩时承受高的周期性压应力、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歼石等硬的矿料,切割煤岩过程中由于摩擦、冲击还会造成截齿温度升高,在如此复杂工况条件下工作的截齿,就要求其刀体既要耐磨又应具有较好的耐冲击性能。截齿刀体一般采用低合金结构钢制造。
从国内部分煤矿实际使用的进口、国产的截齿来看,刀体材质多为42CrMo、35CrMnsi等钢种,也有煤矿在采用国内新研制的Si一M”一MO系准贝氏体钢。
42CrMo钢强度高、淬透性高、韧性好、淬火变形小、在高温时有高的蠕变和持久强度等特点。42CrMo钢经热处理后,有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力,低温冲击韧性良好。
35CrMnsi钢也是淬透性较好的材质,经适当的热处理后可得到强度、硬度、韧性和疲劳强度较好的综合力学性能,能适应采煤生产较复杂的工况条件。
Si一Mn一MO系准贝氏体钢是国内科研单位研制的新型截齿刀体材料的一种,其特点是经过合金成分的合理设计,使材质具有较好的热处理工艺性能,热处理后使钢的强度、韧性、耐磨性能满足截齿力学性能要求。
能够适合截齿工况条件的钢种还有很多,截齿制造过程中可根据截齿种类及具体工况选择合适的截齿刀体材质。

4.2 截齿齿体材料的选用

根据对截齿的基本要求，国内齿体材料普遍采用具有良好锻造性能的优质合金钢，如20CrMnTi、35CrMnSi和42CrMo。从发展角度看，对齿体材料不作硬性规定是合理的，仅要求齿体钢材的机械性能和化学成分符合(GB3077-82)规定，热处理后的硬度达到40-45HRC即可。
（1）20CrMnTi作为截齿齿体材料，有较高的淬透性和心部硬度，其心部极限强度在800-1200MPa之间，锻造温度区大，容易精锻成型且成品率高。20CrMnTi钢的Acl、Ac3分别为735°C、840°C左右，随着淬火温度的逐步升高，钢的组织发生明显的变化。740-760°C淬火时，组织中存在大量铁素体，由于铁素体量相对较多，一般呈大块状，晶粒粗大，铁素体晶粒之间彼此相连。提高淬火温度，可使组织中铁素体含量降低，但铁素体形态未改变，仍为大块状。760-800°C之间淬火，随着淬火温度的提高，铁素体的量进一步减少，彼此之间不再相连，铁素体晶粒也由块状变成细片状。淬火温度接近其Ac3临界点时，淬火后其组织中铁素体含量已非常少，细小的铁素体只能呈彼此孤立的孤岛状分布。当淬火温度超过其上临界温度后直至930°C，组织中已无铁素体，为正常的淬火组织，但随着淬火温度的提高，晶粒大小会发生变化。20CrMnTi钢经不同温度淬火后的硬度值的变化反映出其内部组织的改变。
（2）35CrMnSiA是高强度钢，在等温条件下预处理，可获得强度、塑性、韧性合理的分配。要满足煤炭部截齿生产标准，热处理工艺必须为等温淬火。目前，国内35CrMnSiA钢制造的截齿齿体多采用880°C淬火，240°C回火的热处理工艺。随着等温时间的延长，抗拉强度缓慢下降，塑性上升，出现这种变化的主要原因是经不同时间的等温淬火后，组织中马氏体和贝氏体相对量不同，等温时间较短时，马氏体所占比例大，随着等温时间的延长，贝氏体量增加，故强度随等温时间的延长呈下降趋势。等温5min左右，贝氏体和马氏体含量达到了良好的配合，这时的硬度有所提高。等温淬火后回火与否，对于硬度值有很小的影响，但淬火低温回火或等温淬火后，该材料横向性能比纵向性能差，有明显的回火脆性等缺陷。
（3）42CrMo属于中淬透合金钢，无回火脆性，调质后有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，与35CrMnSiA合金钢相比，更适合截齿的受力特性，更适宜作截齿材料。42CrMo钢经等温淬火工艺可获得下贝氏体组织，具有高强度和优良的耐一延迟断裂性能。该钢在460°C等温淬火可获得典型的羽毛状上贝氏体及近似对称分布其上的贝氏体，500°C等淬火时形成上贝氏体和无碳贝氏体共存、以上贝氏体组织为主的混合组织，540°C等温淬火，可得到板条马氏体及针状无碳贝氏体组织，当等温淬火时间较长时，得到典型无碳贝氏体，此贝氏体组织多为粒状且相邻贝氏体组织相互衔接，因为无碳贝氏体形成的早期不是通常所见的粒状，而是针状。经880°C淬火，组织为板条马氏体加下贝氏体，960°C淬火可得到下贝氏体，少量孪晶马氏体和板条马氏体，1000°C淬火，由于碳及合金元素在奥氏体中充分固溶，提高了过冷奥氏体的稳定性，抑制贝氏体的转变，从而消除了淬火组织中的下贝氏体，获得板条状马氏体、少量残余奥氏体及少量孪晶马氏体组织。

4.3 截齿工艺的发展

就我国截齿工艺的发展过程而言，最初制造工艺是：锻造→不完全退火（球化退火）→机加工→热处理（调质）→酸洗除锈→钎焊硬质合金→磨齿→涂油保护。这种工艺是先调质而后进行钎焊，焊后不进行任何处理。基体因退火致使距齿尖30mm内硬度下降到20HRC以下，并出现粗大魏氏体组织甚至产生过烧组织，导致其综合机械性能大幅度下降。为了提高截齿工作部分硬度，有关部门提出了全面改革生产工艺的方案：齿体下料→锻造→机械加工→钎焊硬质合金齿尖→截齿整体调质热处理或盐浴等温淬火→表面防腐处理。截齿整体调质热处理或盐浴等温淬火是提高齿体强韧性与齿体头部表面耐磨性能的必要步骤。但是调质热处理（即淬火+高温回火）及盐浴等温淬火过程中的加热和冷却，会在钎焊缝及硬质合金中产生显微裂纹，损害截齿使用寿命。钎焊过程对齿体头部的剧烈加热，也会引发硬质合金内部裂纹增生，并导致齿体头部产生过热组织。另外，截齿整体调质热处理或等温淬火对提高包覆硬质合金的齿体头部表面的耐磨性十分有限，因此在使用过程中齿体头部表面早期磨损，使硬质合金过早暴露出来并脱落，导致了截齿的急剧磨损破坏。 目前国内截齿的生产工艺一般为以下2种：
（1）截齿体加工成形→钎焊硬质合金头→盐炉加热→硝盐等温淬火→回火。
（2）截齿体加工成形→盐炉加热→硝盐等温淬火→清洗→钎焊硬质合金头→回火。
第1种生产工艺，钎焊硬质合金头后盐炉加热再硝盐等温淬火，截齿体的硬度得到了保证，但硬质合金头在钎焊和硝盐等温淬火这一过程中，都经过了两次加热，从而使硬质合金头脆化，使截齿在使用过程中因硬质合金头崩裂和硬质合金头与截齿体焊接的开裂而大大缩短截齿的使用寿命。第2种生产工艺，硝盐等温淬火后钎焊硬质合金头，虽然焊缝的质量和硬质合金头的质量得到了保证，但截齿体头部的硬度却下降了，导致截齿体头部耐磨性大大降低，使得截齿在使用过程中硬质合金头过早脱落，同样也缩短了截齿的使用寿命。
采用截齿真空炉钎焊与热处理同时一次加热，截齿的真空钎焊工艺流程为：清洗截齿体待焊部分、钎料和硬质合金刀头→烘干→装填焊料、硬质合金刀头→将截齿装入夹具内→入炉加热→冷却，使钎焊好的截齿直接进行淬火的工艺。
为了适应煤炭生产发展的要求，满足新型采掘机械的要求，截齿性能应具有比能耗低、煤屑块度大、煤尘少、强度高、耐磨性高、自旋转、工作可靠、寿命长等特点。目前常用的提高截齿的耐磨性和延长使用寿命的工艺[20]措施如下:
（1）采用可实现转动的截齿
增大刀头直径D与固定轴直径d的比值，使得截割中刀齿在齿座中自动旋转，刀齿的旋向使刀尖自动刃磨，提高截齿的寿命。
（2）利用热喷涂技术对截齿进行处理
热喷涂是利用一种热源将喷涂材料加热至熔融状态，并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面，以形成喷涂层的表面加工技术。热喷涂技术可在金属基体上沉积陶瓷涂层，将陶瓷耐高温、耐磨、耐蚀等特性与金属材料的强韧性、可加工性、导电导热性等特性结合起来，以获得理想复合涂层制品，已成为当今复合材料及制品研制领域的一个重要发展方向。热喷涂技术是一个涉及多学科，诸如金属学、陶瓷学、高分子科学、表面物理学、表面化学、流体力学、传热学、等离子物理学等学科的边缘科学。采用热喷涂工艺，在采煤机截齿体头部喷焊一层高硬度耐磨合金，该合金层与截齿体具有良好的冶金结合，具有高硬度耐磨不脆裂的特点，其寿命比传统的镶嵌硬质合金截齿高0.5~1倍左右，且制备工艺简单。
3利用堆焊技术对截齿进行处理
在传统镶嵌硬质合金头位置的截齿头部，利用堆焊技术，按截齿形状要求分层堆焊出截齿头部。堆焊涂层的主要合金元素为钨、铬、钒，且合金元素含量与钨系高速钢基本一致，涂层处于熔融状态，因此涂层结构类似铸造高速钢组织，其组织由骨骼状的共晶莱氏体和奥氏体的转变产物组成，保证涂层具有较高的硬度与耐磨性。涂层硬度为660.6 HV，虽然不如硬质合金的高，但是相比之下，涂层的抗冲击性能要优于硬质合金，较适合于煤层中含有夹矸或有断层的情况。
（4）利用等离子束表面冶金对截齿进行处理
等离子束表面冶金技术本质上是一种快速非平衡冶金反应过程，原则上可不受组成物的相溶性、熔点、密度等性质的限制，可利用任意粉末的任意配比，获得通常冶金方法不能得到的合金层。它是在喷涂、熔覆、堆焊之后发展起来的涂层技术，在传统的热处理工艺基础上，对截齿齿体进行等离子束表面冶金可以获得耐磨抗冲击涂层，与用传统工艺生产的同型号截齿相比，寿命提高2倍以上，制造成本降低了20%，具有十分显著的推广应用价值。
（5）采用镶铸工艺制造截齿
镶铸截齿是采用在铸型型腔中放硬质合金，然后浇注铁液一次成型。解决了钎焊截齿所存在的问题，通过调整铸件合金元素的加入量，使截齿体具有较好的耐磨性和韧性，同时使硬质合金和截齿体之间达到冶金结合，显著提高硬质合金和截齿体之间结合力。而且简化了工艺，降低了成本，并显著提高了使用寿命，与锻造钎焊截齿相比，综合寿命提高4倍以上。

第五章 提高截齿可靠性的途径

镐形截齿是目前国内外采煤机械上使用最广泛的一种切割工具。镐形截齿具有下列优点：
（1）镐形截齿结构简单，生产加工及井下使用时的安装拆卸方便。
（2）镐形截齿齿体及齿头均为园形结构对各个不同方向受力具有相同的抗力。
（3）镐形截齿磨损均匀且具有自磨刃功能，镐形截齿在切割岩煤过程中受力是不对称的，偏于截齿轴线受力更大一侧的切削力与过轴线的支撑反力间会形成力偶并迫使截齿绕自身轴线旋转，这种旋转的结果一是使截齿头部沿圆周方向的磨损均匀延长了使用寿命，二是可以产生自磨刃效果，有利于保持截齿切割刃的锋利降低切割阻力与动力消耗。因此镐形截齿成为目前应用最广泛消耗量最大的采煤机配件。对镐形截齿的失效形式和原因进行深入分析研究并在此基础上寻找出更加有效更加科学合理的解决方案或技术措施提高镐形截齿的使用寿命对于企业有重要意义。
1截齿主要失效形式及原因
截齿在截割煤岩时承受很高的剪应力、压应力和冲击负荷,经常会遇到煤矸石等较硬的矿料, 切割过程中会产生剧烈的摩擦和局部高温，因此
截齿实际工作的工况条件十分恶劣。通过对几个煤矿截齿失效的统计分析可知，截齿的主要失效形式大致有以下几种。
磨损
根据磨损理论,煤对金属的磨损属于磨料磨损。在干摩擦状态下,煤粒及煤矿体中的硬矿物(如石英、黄铁矿等)是造成磨料磨损的主要原因，在切割过程中煤粒及硬矿物颗粒呈高度挤压状态流出因而形成对材料表面的剧烈磨擦和磨损。
我们知道目前大量使用的镐形截齿由齿体和硬质合金刀头两部分组成并通过钎焊联接。实际应用中对截齿的性能要求是：齿体应具有较高的强度和冲击韧性同时齿体头部又要有较高的硬度和抗磨性。但由金属材料学可知，对于同一种金属材料，硬度和冲击韧性二者呈负相关规律，通常在保证齿体具有较高强度和韧性情况下，齿体热处理后的硬度一般为HRC45左右，而硬质合金刀头硬度一般为HRC70以上，由于二者的硬度和耐磨性有着巨大差异，使得实际使用中硬质合金刀头只产生较少磨损而支撑硬质合金刀头的齿体部分却产生了大量磨损使其支承强度急剧下降导致硬质合金刀头脱落，这是截齿磨损失效的最主要原因，也是造成硬质合金刀头利用率低及截齿。
镐形截齿的各种失效形式中磨损失效占比最大约为80%~90%而其他形式失效仅占10%~20%，由于硬质合金刀头与支承硬质合金刀头的齿体在硬度和耐磨性上差异过大使得实际使用中硬质合金刀头只产生较少磨损而支撑硬质合金刀头的齿体部分却产生了大量磨损支承强度急剧下降最终导致硬质合金刀头脱落是镐形截齿磨损失效的主要原因。因此说能减少截齿的磨损就能极大的提高企业的经济性。
针对截齿在工作中出现的磨损、刀头脱落、刀头碎裂等失效形式．对其产生的主要原因进行了分析．并从设计、制造、选型和使用方面入手，采取相应的措施来解决这些问题。

5.1 设计方面

(1)利用先进的设计手段，迸一步优化截割头设计，对掘进机截割头的几何形状、尺寸、截齿的排列方式、几何参数、以及截割参数等进行匹配设计。力求达到在工作中每个截齿受力相等、磨损相同、运动平稳，提高截煤岩效率．减少截齿的磨损及破坏。从而提高截齿的可靠性能。
(2)根据煤岩层的硬度指数．有针对性地选择相应牌号的合金刀头。通常。对于截割抗压强度小的煤或半煤岩巷道可以选用牌号YGll．YGl3的合金刀头。对于抗压强度大的全岩石巷道就应该选用含Co量多的YG25或其他采用喷涂等先进技术制作的复合硬质合金材料，以提高抗冲击能力。

5.2制造工艺方面

(1)严格按照设计要求．保证截齿与齿座之间的配合。确保截齿在齿座中能自由转动．避免偏磨现象的发生，实现自磨刃功能，保持刀齿的锐利，此时截齿的磨损为正常的均匀磨损．处于良好的截割状态。
(2)使硬质合金刀头与齿体的钎焊间隙保持在0．08。0．15mm。钎焊焊缝间隙的大小是影响焊缝致密性和焊缝强度的主要因素。间隙过小．妨碍钎焊料流人。间隙过大时，钎料不能填满焊缝间隙。
(3)采用先进的钎焊及热处理技术。截齿的钎焊及热处理下艺是保证截齿质量的关键技术之一。目前国内截齿的生产工艺为：齿体加工成形一清洗一中频感应加热钎焊硬质合金头一硝盐等温淬火一回火一喷砂，即截齿钎焊后，冷却到室温．再将截齿加热到850—880oC。然后投入淬火介质中。这种工艺虽保证了截齿的硬度．但经过2次加热。使得合金头变得脆化．钎焊缝抗剪强度下降30％左右．并且容易出现焊料与母材以及焊料本身的微裂纹。产生这些现象的原因是由于第2次加热时．温度已接近或达到焊料自身熔化温度．使焊料成分有可能发生变化．使得焊缝质量下降。我国在20世纪90年代中后期开始研究截齿硬质合金钎焊、热处理一体化技术。钎焊、热处理一体化技术采用的是真空炉加热。使钎焊好的截齿不经过空冷直接淬火。钎焊、热处理一次完成。这种新工艺可以避免传统工艺过程中钎焊表面与空气接触产生氧化的现象．保证熔化的钎料与钎焊表面直接接触，保证焊接质量：同时由于钎焊、热处理1次加热完成。避免了2次加热引起的合金头脆化、焊缝强度降低等问题。保证了截齿的硬度以及截齿的柔韧性。
（4）采用“三高”工艺提高硬质合金头质量。“三高”工艺是指选用优质原料，采用高纯钨粉、高温还原、高温碳化3项技术措施来生产硬质合金头的方法。采用“三高”工艺生产的硬质合金头材料具有密度均匀．耐磨性及韧性高等特点。
(5)采用热喷涂技术对截齿进行处理。热喷涂技术是利用热源将喷涂材料加热到熔融状态．并通过气流使其雾化并迅速喷到零件表面的表面加工方法。采用热喷涂工艺生产的截齿。其齿体头部具有一层高硬度耐磨合金，具有高硬度耐磨不脆裂。
（6）采用等堆焊表面强化技术。在截齿靠近刀头及刀头部位采用耐磨焊丝堆焊艺．在钢基表面熔覆一层北京固本牌耐磨焊丝。以获得与基体呈冶金结合的耐磨层。该耐磨合金层的硬度高达HRC65以上，并且与齿体的结合力较大．不易脱落．具有优良的综合机械性能．尤其在截割唪硬的全岩巷道时效果更为明显。

5．3使用方面

(1)由于煤岩软硬和煤层所含夹矸情况不同，截齿裁割时受力状况就有所不同，采用截齿几何形状和尺寸就应有区别．对制造所用材料和工艺也应有相应要求．把用于截割煤层的截齿用于截割较硬岩层。必然加剧截齿的破坏。截割煤层时，因截割阻力小。这时可以提高截割速度来提高生产率，反之。截割岩石时．阻力大，为了避免电机过载，也为了减少截街损耗．应降低截割速度。
（2）在工作中。随时注意工作机构上截齿的状态．当截齿齿尖的硬质合金磨去1．5～3mm或与煤的接触面积大于lcm2时．应及时更换截齿。对于丢失的截齿也应及时添补．以免加蘑相邻截齿的负担．导致其他截齿的非正常磨损。3结语截齿作为掘进机的截割刀具．在截割过程中．由于工况条件复杂．造成截肯失效．使得截齿消耗量大。通过对截齿失效的原因进行分析，采取相应的措施．从设计、制造和使用方面加以控制。就能降低截齿损耗．提高截岗的可靠性。进一步提高煤炭生产的效益，以适应高产高效矿井建设和发展的需要。