采煤機(jī)長螺桿斷裂原因分析及解決措施

盧劍波

（大同市焦煤礦有限責(zé)任公司， 山西 懷仁 038001）

引言

隨著綜采技術(shù)的迅猛發(fā)展，滾筒式電動(dòng)牽引采煤機(jī)的應(yīng)用越來越頻繁，成為了綜采工藝中的常用設(shè)備之一。在實(shí)際的工作過程中，采煤機(jī)的剪切滾筒承受著復(fù)雜的力。滾筒的切割反作用力有三個(gè)去向，分別是被左牽引箱，中間電控箱和右牽引箱消化。采煤機(jī)主體三部分的連接主要由6 組長螺桿組件和幾組短螺桿組成。最近，山西某礦井在作業(yè)過程中有一個(gè)長螺桿被打斷，由此可見采煤機(jī)的可靠性還有待改進(jìn)。

1 長螺桿斷裂故障

長螺桿組件沿采煤剪切機(jī)主體的圓周方向進(jìn)行安裝。每個(gè)長螺桿組件均包括一個(gè)長螺釘、液壓螺母、墊圈和螺母，具體組成結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 長螺桿組件構(gòu)成示意圖

通過對(duì)長螺桿的斷點(diǎn)位置進(jìn)行探究，得知在液壓螺母和墊圈之間存在一個(gè)明顯的連接螺紋，這就是螺桿嘴脆弱的地方，極易產(chǎn)生斷裂。圖2 可以看見一小部分?jǐn)嗔烟幍男螒B(tài)，這個(gè)斷裂的截面竟然一點(diǎn)都不粗糙。并且在液壓螺母和斷裂的螺桿部分掉入之前，一直都在正常運(yùn)行，直至斷裂掉入刮板輸送機(jī)后才有了故障發(fā)生。因此，截?cái)嚅L螺絲的一部分以進(jìn)行質(zhì)量檢查。損壞的樣本如圖3 所示。

圖2 長螺桿斷裂面局部圖

圖3 長螺桿斷裂截取樣本

2 斷裂原因

發(fā)生斷裂事故之后，產(chǎn)品質(zhì)量變成了作業(yè)中重點(diǎn)關(guān)注的問題，需立刻進(jìn)行強(qiáng)度檢查和材料測(cè)試分析來規(guī)避事故。

2.1 強(qiáng)度檢查

長螺桿的材料為40CrNiMoA，屈服極限σs=835 MPa，斷裂處的螺紋規(guī)格為M72×4，最大允許液壓螺母油壓為180 MPa，相應(yīng)的拉力F=1 343 kN。長螺絲斷裂部分的最小直徑d=67.5 mm，該斷裂部分承受應(yīng)力 σ=4F/ （πd2）=375.5 MPa； 螺 絲 的 安 全 系 數(shù)n=σs/σ=2.2。符合強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.2 材料剛試檢驗(yàn)

1）在檢測(cè)過程中需要使用光譜分析儀來檢測(cè)長螺桿材料所包含的一些化學(xué)成分。結(jié)果見表1。每種材料的組成都正常且符合要求。

表1 材料主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)表 %

2）返回的長螺釘通過維氏硬度法進(jìn)行測(cè)試，其中深度值為長螺釘與樣品表面之間的距離，最后檢測(cè)得到的硬度值見下頁表2，繪制出的硬度曲線見下頁圖4。

對(duì)圖表進(jìn)行分析和探究，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的現(xiàn)象，雖然長螺桿表現(xiàn)得硬度和芯體硬度不太一致，但測(cè)試出來得硬度值竟然相同，滿足圖紙的設(shè)計(jì)要求。

表2 硬度情況檢測(cè)表

圖4 硬度曲線圖

3）將提取出來的顯微樣本放大400 倍，檢測(cè)得到了理想的結(jié)構(gòu)組織，該結(jié)構(gòu)詳見圖5，這與材料的熱處理結(jié)構(gòu)相符。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

由于長螺桿材料強(qiáng)度安全系數(shù)檢查和材料試驗(yàn)檢查都是嚴(yán)格按照?qǐng)D紙的設(shè)計(jì)要求來完成的，因此當(dāng)究其根源，我們?nèi)ッ旱V進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，通過對(duì)采煤機(jī)的各方面情況進(jìn)行分析和研究，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）工作面遭遇不良故障時(shí)，脈石硬度為6，煤的硬度為3。當(dāng)采煤機(jī)發(fā)生切割故障時(shí)，振動(dòng)和沖擊負(fù)荷會(huì)異常增大，因此會(huì)給采煤機(jī)機(jī)體帶來比較強(qiáng)烈的振動(dòng)。再加上應(yīng)力集中所帶來的作用，使得長螺桿的底部會(huì)遭受到較大的應(yīng)力作用，容易出現(xiàn)疲勞裂紋，這是長螺桿產(chǎn)生斷裂最重要的原因。

2）在礦業(yè)作業(yè)過程中，往往會(huì)要求產(chǎn)量和效率都要達(dá)到一個(gè)很高的水平，采煤過程中采煤機(jī)的牽引速度一旦超過一定的數(shù)值，就會(huì)變得比較危險(xiǎn)，因?yàn)椴擅簷C(jī)背負(fù)著很重的荷載，并且比正常值大得多，這也是長螺桿容易斷裂的重要原因之一。

3 改善措施

1）高頻振動(dòng)容易產(chǎn)生一系列問題，比如在螺紋底部的應(yīng)力集中區(qū)域很容易因?yàn)楦哳l振動(dòng)而產(chǎn)生早期裂紋，于是可以考慮從長螺桿的熱處理過程入手，即在這一過程中經(jīng)軋制后增加回火工來解決應(yīng)力集中的問題。

圖5 芯部金相組織圖

2）由于工作面發(fā)生故障時(shí)，采煤機(jī)會(huì)產(chǎn)生的劇烈振動(dòng)和沖擊，于是考慮在長螺桿的兩端端口處增加橡膠減震器，以改善采煤機(jī)的振動(dòng)條件。

3）為達(dá)到生產(chǎn)高效率的目的，對(duì)礦山的不正常運(yùn)行進(jìn)行了培訓(xùn)，對(duì)采煤機(jī)管理人員進(jìn)行了培訓(xùn)，并加強(qiáng)了設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)。采煤機(jī)機(jī)體內(nèi)有6 個(gè)長螺釘。維護(hù)期間，礦山定期壓緊并預(yù)緊每根長螺釘，然后根據(jù)操作規(guī)格將其均勻按入，盡量使得長螺桿在均勻受力的情況下工作。

4 結(jié)語

針對(duì)上述提到的采煤機(jī)長螺桿常見的故障問題，首先從材料本身入手，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行分析。通過兩者相結(jié)合共同找出導(dǎo)致長螺桿斷裂的因素，分析發(fā)現(xiàn)工作面的地質(zhì)條件很差，這對(duì)采煤機(jī)的振動(dòng)情況影響很大，于是長螺桿的自身應(yīng)力全部集中在螺紋底部，這種狀態(tài)下就容易產(chǎn)生疲勞裂紋，從而停止工作。針對(duì)故障原因來尋找解決途徑，改善應(yīng)力集中的狀態(tài)和阻尼措施來延長螺釘?shù)氖褂脡勖?。?jīng)過長期的地下試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該途徑大大提高了長螺桿的可靠性，節(jié)省了礦山成本，提高了采煤機(jī)的開工率。同時(shí)它也為開發(fā)高產(chǎn)高效采煤機(jī)方面提供了很多前置性的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量也有了很大程度的提升。