采煤機(jī)滑靴磨損失效分析及檢測(cè)系統(tǒng)優(yōu)化研究

史 杰

（霍州煤電集團(tuán)霍源通新產(chǎn)業(yè)投資有限公司，山西 霍州 031400）

1 引言

霍州煤電干河煤礦反饋其采煤機(jī)的導(dǎo)向滑靴經(jīng)常由于磨損而失效。采煤機(jī)滑靴損壞維修和更換過(guò)程艱難，既耗時(shí)又耗費(fèi)人力。因采煤機(jī)在井下條件惡劣的環(huán)境中工作，想要快速完成損壞的滑靴更換和維修極為困難[1]。研究分析采煤機(jī)滑靴的磨損機(jī)理，找到滑靴的失效問(wèn)題，改善滑靴的使用壽命，是現(xiàn)在該礦需要首要解決的問(wèn)題[2]。根據(jù)采煤機(jī)滑靴結(jié)構(gòu)及運(yùn)行的實(shí)際工況，分析滑靴的磨損原理，查看運(yùn)行參數(shù)情況，利用機(jī)械設(shè)計(jì)理論以及應(yīng)力應(yīng)變電學(xué)知識(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)有效檢測(cè)滑靴磨損的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，并運(yùn)用于工程實(shí)踐，驗(yàn)證該檢測(cè)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)用性，從而解決礦井困擾多時(shí)的采煤機(jī)滑靴失效問(wèn)題。

2 采煤機(jī)滑靴磨損失效機(jī)理

2.1 滑靴磨損分析

采煤機(jī)在運(yùn)行中，滑靴與行走輪因銷或者栓連接產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)的摩擦，如圖1。礦井下采煤機(jī)工作環(huán)境差，滑靴與行走輪間不能夠及時(shí)添加潤(rùn)滑油，兩金屬硬件在干摩擦下會(huì)產(chǎn)生高溫高熱，致使滑靴磨損嚴(yán)重。當(dāng)細(xì)小煤巖塊、泥土、煤灰等進(jìn)入到滑靴與行走機(jī)構(gòu)的連接間隙內(nèi)，造成滑靴相對(duì)運(yùn)動(dòng)阻力迅速激增，滑靴磨損故障顯著加劇[3]。根據(jù)該礦采煤工作面統(tǒng)計(jì)，當(dāng)采煤機(jī)割煤1000m左右的時(shí)候，就必須修護(hù)或者更替采煤機(jī)滑靴。但是采煤面工作空間狹小，條件有限，很難在采煤面完成采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴的安拆裝過(guò)程，出現(xiàn)滑靴損壞無(wú)法及時(shí)維護(hù)，造成礦井采煤效率低下，給該礦井造成了巨大的生產(chǎn)效益損失。

圖1 采煤機(jī)行走輪與滑靴的連接布置圖

2.2 滑靴失效機(jī)理分析

表1所示為滑靴運(yùn)行期間牽引力、負(fù)載力和載煤量的三個(gè)運(yùn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)情況。該數(shù)據(jù)是從滑靴開始安裝至運(yùn)行過(guò)程中失效的現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)。采煤機(jī)導(dǎo)向滑靴從工作正常到運(yùn)行失穩(wěn)的狀態(tài)中，承受的負(fù)載作用力與載煤量有關(guān)，且牽引力越大，載煤量反而越小。造成載煤量降低的因素主要是煤矸石過(guò)多和滑靴摩擦力增大。根據(jù)數(shù)據(jù)分析表明，煤矸石含量過(guò)多，負(fù)載相應(yīng)變大，但滑靴摩擦力也增加，故牽引作用力、承受負(fù)載作用力、摩擦力是滑靴因磨損失效表現(xiàn)出來(lái)的參數(shù)。

表1 采煤機(jī)滑靴工作期間運(yùn)行參數(shù)5組數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

采煤機(jī)在割煤的過(guò)程中，煤巖石、泥土、煤灰等容易入侵導(dǎo)向滑靴與行走結(jié)構(gòu)的連接處，造成因干摩擦作用損壞。采煤機(jī)的自重，加上開采煤層會(huì)對(duì)滾筒有垂直方向的壓力，侵入的煤矸石顆粒硬度過(guò)大，會(huì)在滑靴和行走輪間隙內(nèi)造成觸變應(yīng)力增大，滑靴因摩擦帶來(lái)槽狀磨痕，滑鞋表面形成剪切、犁皺和犁削等現(xiàn)象。在上述壓應(yīng)力長(zhǎng)久作用中，滑靴磨痕邊緣側(cè)就會(huì)發(fā)生裂紋現(xiàn)象。若煤矸石顆粒被重大的壓力嵌入到滑靴表面耐磨層，就會(huì)使滑靴產(chǎn)生塑性變化。在采煤機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下，滑靴表面因被擠壓作用使得表面出現(xiàn)層狀或鱗片狀的剝落碎片，最終造成采煤機(jī)滑靴因磨損失效。

3 檢測(cè)機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 檢測(cè)機(jī)構(gòu)

了解、確定采煤機(jī)的滑靴磨損情況和具體位置，可以通過(guò)檢測(cè)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。檢測(cè)機(jī)構(gòu)的工作原理[4]：開啟動(dòng)力裝置結(jié)構(gòu)并施加載荷作用，利用數(shù)據(jù)收集傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，主要獲取上文提到的牽引力、負(fù)載力等信息，通過(guò)傳輸系統(tǒng)把信息呈現(xiàn)在控制器上，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)交換，進(jìn)而快速實(shí)現(xiàn)對(duì)滑靴維修或更換。檢測(cè)機(jī)構(gòu)的核心硬件主要是數(shù)據(jù)收集等結(jié)構(gòu)件，控制器對(duì)收集的失效參數(shù)進(jìn)行計(jì)算、分析和處理。參數(shù)采集結(jié)構(gòu)主要是測(cè)力傳感器和應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)電路，通過(guò)電壓信號(hào)變化進(jìn)行轉(zhuǎn)換而得到數(shù)據(jù)。

檢測(cè)機(jī)構(gòu)中測(cè)量摩擦力和加載力的儀器是測(cè)力傳感器，通過(guò)檢測(cè)電阻的電壓變化達(dá)到測(cè)力的目的。鋁合金和兩個(gè)應(yīng)力應(yīng)變片構(gòu)成了測(cè)力傳感器。當(dāng)滑靴的加載力和摩擦力等作用在鋁合金上時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變片發(fā)生變形，此時(shí)檢測(cè)應(yīng)力應(yīng)變片上電阻電壓變化值，經(jīng)轉(zhuǎn)換就可得到滑靴在鋁合金上的作用力值。鋁合金上水平方向和垂直方向均粘貼有應(yīng)力應(yīng)變片，該應(yīng)力應(yīng)變片在作用力下隨鋁合金一起發(fā)生伸縮變形。

不足之處是檢測(cè)機(jī)構(gòu)中的應(yīng)力應(yīng)變片阻值與發(fā)生形變的系數(shù)小，電阻值變化差值很微弱，在測(cè)量電壓信號(hào)時(shí)，很難采集到變化值，因此為了準(zhǔn)確地檢測(cè)滑靴磨損情況，就必須測(cè)得合理有效的電信號(hào)，檢測(cè)電路必須合理地優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 檢測(cè)電路

優(yōu)化設(shè)計(jì)檢測(cè)電路是為了實(shí)現(xiàn)微小變形也能檢測(cè)到其電壓信號(hào)[5]。設(shè)計(jì)檢測(cè)電路采用單臂惠斯通電橋，而且是兩組的四分之一的電橋，每組電橋具有一個(gè)應(yīng)力應(yīng)變片，來(lái)達(dá)到測(cè)量微小電壓變化的精確值。

根據(jù)電學(xué)知識(shí)可知，檢測(cè)電路中檢測(cè)采煤機(jī)滑靴磨損的電壓變化值可以表示為：

式中：

ΔU-檢測(cè)電路電壓變化值，V；

K-一根電線上的靈敏度系數(shù)；

U-電路中電阻上兩端電壓，V；

ε-應(yīng)變片的應(yīng)變值。

由公式可知，檢測(cè)電路檢測(cè)采煤機(jī)的滑靴磨損的電壓ΔU與鋁合金表明受到應(yīng)力應(yīng)變 是正比關(guān)系。將采集數(shù)據(jù)的傳感器上的應(yīng)力應(yīng)變片分別接入到兩個(gè)1/4單臂電橋檢測(cè)電路中，兩個(gè)電路電壓變化值分別用ΔU1和ΔU2表示，則這兩個(gè)的電壓信號(hào)與鋁合金表面的水平方向和垂直方向的應(yīng)變值是成正比的。只要測(cè)量出兩個(gè)單臂電橋電路中的電壓信號(hào)ΔU1和ΔU2，便可知道滑靴受到的摩擦力和加載力情況，進(jìn)而確定其磨損大小和位置，維護(hù)人員能夠快速確定滑靴的維修維護(hù)。

4 工程實(shí)踐

采煤機(jī)運(yùn)行當(dāng)中，煤矸石顆粒極易侵入滑靴與栓、銷間的空隙當(dāng)中，造成滑靴因磨損失效，滑靴因磨損表面會(huì)產(chǎn)生擦傷、劃傷、犁溝和凹坑等破壞形式?；ツp危害程度與煤矸石顆粒硬度、數(shù)量、顆粒大小以及本身表面的耐磨性、接觸抵抗應(yīng)力等因素有關(guān)，故可以采取以下措施降低采煤機(jī)滑靴磨損：

（1）根據(jù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)確定容易造成滑靴受沖擊載荷的位置，優(yōu)化受沖擊載荷的機(jī)械結(jié)構(gòu)，改善該部的機(jī)械性能，添加輔助性的PID控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，消化部分滾筒的沖擊載荷，從而為滑靴所受到的沖擊載荷分壓。

（2）采煤機(jī)滑靴工作環(huán)境惡劣，須采用高強(qiáng)度高耐磨性的優(yōu)質(zhì)合金鋼材料，并運(yùn)用先進(jìn)的激光熔覆技術(shù)在基體的低碳合金鋼表面堆焊碳鎢耐磨合金粉末，來(lái)提高滑靴的綜合力學(xué)性能，延長(zhǎng)其使用壽命。把改進(jìn)后的采煤機(jī)滑靴運(yùn)用于該礦采煤機(jī)上，并使用優(yōu)化后的檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)其實(shí)時(shí)檢測(cè)和分析。

圖2 檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)滑靴磨損的檢測(cè)分析圖

運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)采煤機(jī)的滑靴磨損進(jìn)行了檢測(cè)，通過(guò)電壓值變化采集了導(dǎo)軌的加載力和摩擦力。經(jīng)過(guò)處理分析后發(fā)現(xiàn)加載力隨摩擦系數(shù)增大呈波動(dòng)形式在變化，而滑靴的摩擦力卻隨摩擦系數(shù)變大而增大。檢測(cè)機(jī)構(gòu)還能檢測(cè)出滑靴表面的耐磨層完整度、曹狀磨痕、滑靴邊緣的裂紋等狀況，如圖2所示，表明優(yōu)化設(shè)計(jì)后的檢測(cè)機(jī)構(gòu)性能更加優(yōu)良，為維修采煤機(jī)滑靴機(jī)械的故障提供了便利。從而說(shuō)明滑靴在采用改進(jìn)措施后與檢測(cè)機(jī)構(gòu)的輔助作用下，能夠提高該礦井的采煤效率。

5 結(jié)論

該礦由于采煤機(jī)的導(dǎo)向滑靴常常發(fā)生故障，導(dǎo)向滑靴在井下維修、更換困難，造成該礦井采煤滯后、效率低下等問(wèn)題，本文對(duì)滑靴失效機(jī)理進(jìn)行了分析，并優(yōu)化設(shè)計(jì)了檢測(cè)滑靴磨損的檢測(cè)機(jī)構(gòu)，主要得出以下結(jié)論：

（1）煤矸石等顆粒物質(zhì)侵入到滑靴與栓、銷連接的間隙內(nèi)，干摩擦使得滑靴損壞。滾筒的垂直分力作用造成滑靴表面應(yīng)變?cè)龃?，滑靴表面發(fā)生剪切、犁皺、犁削、剝落碎片等現(xiàn)象。

（2）為了精準(zhǔn)確定滑靴失效情況，檢測(cè)結(jié)構(gòu)采用帶有應(yīng)力應(yīng)變片的采集傳感器和四分之一的單臂惠斯通電橋電路，測(cè)量電壓信號(hào)便可檢測(cè)滑靴受到的摩擦力和加載力。

（3）把改善后的滑靴運(yùn)用于該礦采煤工作面，在檢測(cè)機(jī)構(gòu)的輔助作用下，解決了礦井困擾的問(wèn)題。