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采煤機技術(shù)發(fā)展歷程(七)
——截割機構(gòu)

2021-01-07 01:32葛世榮
中國煤炭 2020年12期
關(guān)鍵詞:硬質(zhì)合金金剛石采煤機

葛世榮

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)機電與信息工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)智慧礦山與機器人研究院,北京市海淀區(qū),100083)

采煤機截割機構(gòu)是利用機械動力切削煤層的生產(chǎn)作業(yè)機具,采煤機自動化、智能化的主要控制功能都集中于截割機構(gòu),而截割機構(gòu)的功耗約占采煤機裝機功率的80%以上,截割機構(gòu)的故障率占到采煤機故障率的50%以上。因此,高性能采煤機的截割機構(gòu)必須具備高截割性、高可靠性、高智能性的“三高”能力。

高截割性體現(xiàn)為截割機構(gòu)的單位能耗低,50 mm以上的塊煤生產(chǎn)率為70%以上,截割阻力波動小于10%,采煤機運行過程中穩(wěn)定性好,有足夠的截割力以截割硬度突變的煤層,具有高生產(chǎn)能力。該特性的實現(xiàn)應(yīng)從切削原理、截齒構(gòu)型、截齒布局、截割參數(shù)等方面進行截割機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

高可靠性體現(xiàn)為截割結(jié)構(gòu)具有足夠的承載強度、抗沖擊強度和耐磨損強度,從而保證采煤機具有1000萬t以上的平均無故障時間(或大修周期)。該特性的實現(xiàn)需對截割機構(gòu)進行全面的材料設(shè)計、強度設(shè)計、摩擦學(xué)設(shè)計、動力學(xué)設(shè)計、可靠性設(shè)計等。

高智能性體現(xiàn)為當(dāng)煤層厚度、硬度、完整度變化時,截割機構(gòu)具有自主感知和調(diào)控能力,能夠自適應(yīng)調(diào)高、自適應(yīng)調(diào)速、自適應(yīng)調(diào)轉(zhuǎn),從而達到無人干預(yù)的自主截割。該特性的實現(xiàn)要從煤層探測、煤巖識別、跟蹤定位、自動控制等方面予以保證。

人類從動物仿生創(chuàng)制了鑿巖的截齒工具,解決了對堅硬巖石沖擊碎裂力學(xué)的運用難題。最初人們仿生動物利齒制作了鎬頭、釬頭等挖掘工具,而早期的截煤機截齒與虎爪形態(tài)十分相似,如圖1所示,彎曲的齒尖有利于切線方向產(chǎn)生強力沖擊,粗壯的齒體保證了截齒抗沖擊剛度。

圖1 采煤機截齒仿生及截割機構(gòu)發(fā)展脈絡(luò)

仿生的截割機構(gòu)設(shè)有傳動部件,帶動截齒運動產(chǎn)生沖擊力而破煤。老虎前爪長約4 cm,揮舞來的爆發(fā)力高達6 kN,足以帶動尖爪刺入樹木和獵物表皮。形象地看,截齒如同采煤機的“尖爪”,傳動部件猶如采煤機“前肢”,二者有機合成動力,才能高效截割煤層。

隨著人們對截割機理認識不斷深入,采煤機的截割機具不斷改進(見圖1)。截割機具從最初的直線切削方式發(fā)展為旋轉(zhuǎn)切削方式,采煤機截割效率得以顯著提高。在20世紀(jì)30年代到50年代期間,人們進行了鉆削式、截盤式、截楔式、端銑式、立式滾削、橫式滾削等多種截割結(jié)構(gòu)設(shè)計和試驗,最終篩選出橫置滾筒銑削式截割機構(gòu),成為采煤機的主流截割結(jié)構(gòu)。從1952年起,采煤機滾筒截割機構(gòu)經(jīng)歷了鼓形滾筒、自裝載滾筒、螺旋滾筒、自切入滾筒、強力滾筒的5次變革。當(dāng)今,螺旋截割滾筒已是采煤機普遍采用的高效截割機構(gòu),截齒切削圓直徑從當(dāng)初的0.8 m發(fā)展到目前的4.3 m,單個滾筒截割功率從10 kW提高到1100 kW。

本篇將主要回顧采煤機滾筒截割機構(gòu)的發(fā)展歷程,包括截割滾筒構(gòu)型、截齒、耐磨截齒、截割滾筒降塵技術(shù)發(fā)展。

1 截割滾筒構(gòu)型發(fā)展

1912年,截煤機獲得了英國專利,但當(dāng)時沒有設(shè)計出配套的機械化裝煤設(shè)備,因而未能付諸實際應(yīng)用。1925年,德國克納普機械制造廠生產(chǎn)出第1臺長壁工作面采煤機裝煤機器。1934年,英國生產(chǎn)并應(yīng)用了麥柯-摩爾(Meco-Moore)深截式采煤機,如圖2(a)所示,1938年德國??嘶舴蚬局圃斐觥颁撹F礦工”型采裝機,如圖2(b)所示,底部是截鏈,上部是橫置截桿,截桿端部是截盤,它們的截割機構(gòu)創(chuàng)新對長壁工作面滾筒采煤機起到了決定性的推動作用[1]。

1940年,英國安德森公司生產(chǎn)出AB15型截桿式截裝機,如圖3所示,設(shè)有立式雙截桿和底截盤的復(fù)合截割機構(gòu),截桿立柱直徑約20 cm,底部直徑約40 cm,立柱周圍排列4條截齒,這當(dāng)屬第1個小直徑截齒滾筒。1948年,美國利諾斯(Lee-Norse)公司研制出CM-48型截盤式連采機,如圖4所示,設(shè)有4個裝在立軸上的轉(zhuǎn)動截盤,它是盤式截割滾筒的首次應(yīng)用,也是采煤機滾筒端盤結(jié)構(gòu)的雛形。

圖2 歐洲早期的長壁采煤機

圖3 安德遜公司生產(chǎn)的截桿式截煤機

圖4 利諾斯CM-48型截盤式連采機

1.1 截割滾筒結(jié)構(gòu)

為了提高截割效率,截割滾筒不斷改進,出現(xiàn)了鼓形截割滾筒、螺旋截割滾筒、端銑截割滾筒、曲線截割滾筒、階梯截割滾筒等構(gòu)型。

1948年,英國安德森公司制造出截盤滾筒式采煤機,截盤滾筒利用截割和鍥劈相結(jié)合的原理進行落煤,這是滾筒式截割機構(gòu)首次用于采煤機[2]。西德研發(fā)的截盤滾筒采煤機在井下的試驗情景如圖5所示,截割盤崩落煤量與截齒切割煤量分別為65%和35%,切割面呈75°,煤壁不會發(fā)生片幫,保證了截割的安全性。

圖5 截盤滾筒采煤機井下試驗場景

1952年,英國煤炭局西部分局主任詹姆斯·安德頓爵士設(shè)計了安德頓型采煤機,截割機構(gòu)是鼓形滾筒,被認為是第1代滾筒采煤機,此后幾年,安德頓采煤機設(shè)計出4種截割滾筒結(jié)構(gòu),如圖6所示。1954年,德國艾柯夫公司制造出第1臺W-SE-Ⅲ型固定滾筒采煤機,裝有鼓形截齒滾筒和臺式裝煤犁。1956年,英國制造出薩姆遜(Samson)型滾筒聯(lián)合采煤機,它是安德頓聯(lián)合采煤機的改進機型,設(shè)計了類似圓柱銑刀的小角度螺旋截割滾筒[3]。

圖6 安德頓采煤機的4種截割滾筒

1959年,安德森公司生產(chǎn)了AB16-安德頓型滾筒采煤機,首次設(shè)計了帶有端面截齒的單螺旋線截割滾筒,借助于滾筒貼近煤壁,自開機窩而直接切入煤層。1970年,安德森公司推出AB-II型雙滾筒采煤機,配置了端面排列四螺線截齒的自切入滾筒,如圖7所示。

圖7 AB-II型采煤機的端面截齒螺旋滾筒

1980年4月,艾柯夫公司制造出EDW-450L型強力采煤機,首次設(shè)計采用了盤形截齒滾筒,它是六頭螺旋截割滾筒,在恩斯多夫煤礦試驗,工作面每天4班作業(yè)、割煤8刀,每個作業(yè)班的工作面配備10人,運輸巷及端頭配備6~10人,回風(fēng)巷配備2人,可以日產(chǎn)原煤5000 t[4]。在積累了試驗數(shù)據(jù)之后,設(shè)計制造出第2代5頭螺旋盤式截割滾筒。

隨著采煤機功率增大,出現(xiàn)了截割滾筒的落煤能力隨之增大而裝煤能力未能提高的問題,為此設(shè)計了兩種異形滾筒結(jié)構(gòu),如圖8(a)所示。第1種是圓錐形滾筒,其筒轂呈圓錐形,煤壁端的直徑大,卸載端的直徑小;第2種是指數(shù)曲線形滾筒,其筒鼓呈下凹曲線形[5]。對比分析結(jié)果表明,指數(shù)曲線形筒轂半徑不斷縮小,使煤塊的軸向運動速度大于圓錐形筒轂的軸向速度,因而它的裝載性能優(yōu)于傳統(tǒng)的圓柱形滾筒和截頂圓錐形滾筒,減少了塊煤二次破碎,煤塵生成量比圓錐形滾筒降低約5%,比圓柱形滾筒降低約15%[6]。2015年,劉送永等人發(fā)明了一種階梯形滾筒,如圖8(b)所示,這種滾筒能在高應(yīng)力煤巖上開設(shè)應(yīng)力卸載槽,形成自由面,實現(xiàn)對深井高應(yīng)力煤巖的開采。

1.2 滾筒截齒分布

截割滾筒上的截齒布置形態(tài)決定了采煤機割煤效率,截割滾筒的螺旋葉片頭數(shù)、截齒排列形式、截線距大小、單位切割面積的截齒數(shù)量對割煤性能至關(guān)重要。螺旋滾筒上的截齒主要有4種排列形式,即順序式排列、棋盤式排列、畸變1式排列和畸變2式排列,4種截齒排列的切削圖如圖9所示。實際上,切削圖是截齒的最大切削深度軌跡,其斷面形狀直接影響落煤塊度。截齒點位的形狀越大、越方正,割煤效果越好,反之越差。一般情況下,雙螺旋線的截齒可排成順序式和棋盤式,三螺旋線的截齒可排成順序式、畸變1式和畸變2式,四螺旋線的截齒可排列成順序式、棋盤式、畸變1式和畸變2式。截割中硬煤層的滾筒直徑小于1.6 m時,通常采用雙頭螺旋滾簡;截割硬煤層的滾筒直徑大于1.8 m時,通常采用3頭螺旋滾筒[7]。

1-圓柱形筒轂;2-錐形筒轂;3-指數(shù)曲線筒轂圖8 采煤機異形截割滾筒

t-螺距;-螺旋角圖9 螺旋滾筒的截齒排列形式

1961年,艾柯夫公司生產(chǎn)EDW-200型采煤機,設(shè)計了雙頭螺旋截割滾筒;1964年生產(chǎn)EDW-170-L型雙滾筒采煤機,設(shè)計了單頭螺旋截割滾筒。1965年,英國安德森公司生產(chǎn)的MK-II采煤機設(shè)計了4頭螺旋截割滾筒。1976年,法國SAGEM公司生產(chǎn)出SIRUS-400型采煤機,滾筒型式是3頭螺旋截割滾筒。1976年,美國久益公司生產(chǎn)出第1臺1LS電牽引采煤機,采用雙頭螺旋滾筒,裝有外露長度75 mm的徑向刀形截齒(也可用鎬形截齒),每條截線裝2個截齒。

1971年,我國研制出DY-100型單滾筒采煤機,采用鎬型截齒和1 m截深的雙頭螺旋截割滾筒,端盤掏槽深度為82 mm,端盤截齒排列是3組6線式,截線距從煤壁開始依次排列為5、5、5、35、32 mm。1978年,MLQ1-170型采煤機采用雙頭螺旋截割滾筒,其截齒排列如圖10所示。

圖10 MLQ1-170型采煤機截齒排列

2 截齒構(gòu)型發(fā)展

采煤機截齒一般分為刀形截齒和鎬形截齒,如圖11所示。鎬形截齒以齒尖撞擊煤體而產(chǎn)生擠壓力,使煤體沿著齒尖周邊的弱強度面自由碎落。刀形截齒產(chǎn)生剪切力,刀刃沖擊煤體時,剪切作用使煤層強制破落,落煤塊度大小取決于截齒的前刃面的面積和切削厚度。根據(jù)安裝位置不同,它們又分為徑向截齒和切向截齒,其差別是截齒軸線與滾筒半徑方向的夾角不同。齒柄軸線沿滾筒半徑方向的截齒稱為徑向截齒,齒柄軸線與滾筒半徑成一定夾角的截齒稱為切向截齒。

圖11 采煤機2種截齒形狀

1914年,德國威斯特伐利亞礦冶聯(lián)合公司(GEW)制造出世界第1臺鏈?zhǔn)浇孛簷C,在聯(lián)接鏈板上安裝了刀形截齒。1928年,蘇聯(lián)高爾洛夫斯基工廠研發(fā)出鏈牽引的ДТ型截煤機,生產(chǎn)的截齒采用У-7、У-7A、У-8碳鋼制造。1937年,GEW公司在依本比倫煤礦創(chuàng)制了第1臺刨煤機,在鋼軌上焊接數(shù)個楔形刨刀,這是最早的鎬形截齒用于煤層截割。1951年,美國久益公司制造出1CM型連續(xù)采煤機,截割滾筒采用了鎬型截齒。

20世紀(jì)50年代初期,滾筒采煤機誕生之后,截齒經(jīng)歷了以下5個發(fā)展階段。

(1)第1階段:普遍使用刀形截齒。20世紀(jì)50年代初,蘇聯(lián)制造的螺旋滾筒淺截式聯(lián)合采煤機采用И90型刀形截齒。1971年,法國出產(chǎn)的DTS-300型采煤機滾筒上裝有刀形截齒。1975年,蘇聯(lián)生產(chǎn)的КШ-1КГ型采煤機采用鍛壓的刀形截齒。1962年日本三池煤礦使用第1臺滾筒采煤機,使用裝有刀片的小型刀齒,1975~1980年使用無刀片的小型刀齒,1984年開始使用大型刀齒,1989年使用強力刀齒。

(2)第2階段:廣泛使用鎬形截齒。20世紀(jì)60年代初開始采用鎬形截齒, 1966年英國煤礦使用了95萬個,但鎬形截齒在大截深時的截割阻力顯著增大,隨著采煤機功率不斷加大, 1974年鎬形截齒的使用量降至不足10%。1968年,波蘭生產(chǎn)的KWB-3DS型采煤機滾筒的外周裝有鎬形截齒,端盤圓周裝有刀形截齒,端面3條輻射狀截線上裝有錐形截齒。1987年,日本開始研制鎬形截齒,1990年進行了現(xiàn)場對比試驗,鎬形截齒損壞量比刀形截齒減少約23%[8]。

(3)第3階段:研發(fā)應(yīng)用強力截齒。1963年,英國研制成功形狀如同鑿子的強力截齒,兼有鎬形截齒和刀形截齒的優(yōu)點,裝在大螺距滾筒葉片上,截齒數(shù)量減少一半。1970年大截齒開始推廣使用,英國霍伊(HOY)公司SP400強力截齒長200~255 mm,齒伸(截齒伸展長度)100~155 mm,齒柄截面30 mm×50 mm。到1974年,英國煤礦已有100多個工作面使用大截齒滾筒,塊度50 mm以上的落煤量增加28%,煤塵量減少25%[9]。1990年,蘇聯(lián)開發(fā)出PO100型強力截齒,全長200 mm,齒伸100 mm,硬質(zhì)合金片厚18 mm。1990年,瑞典山特維克(Sandvik)公司生產(chǎn)出PR110徑向強力截齒,齒伸110 mm,齒柄截面35 mm×55 mm,在英國煤礦使用壽命延長3倍,齒耗降低35%。

(4)第4階段:使用尖頭鎬形截齒。1986年美國肯納(Kennamatal)公司研發(fā)出可旋轉(zhuǎn)的尖頭鎬形截齒,與老式鎬形截齒相比,這種新型截齒更加堅固耐用,且能自身旋轉(zhuǎn),實際的截齒消耗比老式鎬形截齒降低約80%[10]。

(5)第5階段:使用大截深刀型截齒。2003年,英國海德拉(Hydra)公司推出大截深刀型截齒,可與鎬型截齒互換安裝,割煤深度從100 mm提高到130 mm;2005年,這類截齒在澳大利亞貝爾塔納( Beltana)煤礦試用,不僅提高了牽引速度而且降低了工作面粉塵量,同時還打破了該礦煤炭產(chǎn)量紀(jì)錄,到2008年,澳大利亞30%的煤礦改用大截深刀形截齒[11]。

國外研發(fā)的典型采煤機截齒及固定方式如圖12所示[1]。

a1-螺釘式固定截齒;a2-英國洛克法斯特扁柄式快速固定截齒;a3-英國霍伊公司插接式固定截齒;a4-銷釘式固定截齒;a5-英國洛克法斯特圓柄式快速固定截齒;b1-英國洛克法斯特圓柄式快速固定截齒;b2-美國肯納公司鎬形截齒;b3-英國霍爾-皮科爾斯公司圓柄式截齒;b4-彈簧銷固定的圓柄式截齒圖12 國外典型滾筒采煤機截齒及固定類型

1966年,我國自主研制的MLQ1-80型采煤機采用小鎬形截齒。1978年,平崗煤礦截齒廠設(shè)計出PG1新型刀齒,如圖13(a)所示,截齒消耗量降低60%~90%。1975年,國產(chǎn)MD-150型采煤機采用圓錐形截齒。1982年,無錫采煤機械廠研制出DY-150型采用徑向刀齒。1987年,上海煤礦機械研究所研制了QJB型徑向刀齒,如圖13(b)所示,在晉城礦務(wù)局王臺鋪礦和大同礦務(wù)局忻州窯礦進行了工業(yè)性試驗,截割功率下降17%~22%,粉塵濃度下降17%~30%,塊煤率提高5.3%~7.3%[12]。此外,晉城煤業(yè)集團王臺鋪礦曾對鎬型截齒和刀型截齒進行了現(xiàn)場對比,鎬型截齒比刀型截齒使用效果更好,每萬噸采煤的鎬形截齒消耗比刀形截齒降低了84%,鎬形截齒的齒座磨損降低70%,截割比能耗下降22%,回采塊煤率提高4%,使用鎬型截齒的更換截齒和滾筒等輔助工作時間減少23%[13]。

圖13 我國研發(fā)的采煤機截齒

3 截齒耐磨技術(shù)發(fā)展

采煤機長期處于重載、振動、沖擊、摩擦和介質(zhì)腐蝕等工況條件下工作,磨損失效問題尤其嚴重,截齒在截割煤巖時還要承受高剪應(yīng)力和強沖擊負荷,會造成截齒過載而斷裂[14]。某礦務(wù)局的年消耗截齒高達80萬個,其中磨損失效占80%~95%,斷裂失效占5%~20%。某礦每年采煤機、掘進機磨損修理和耗材費用約為0.5元/t煤,以此測算,2004年全國采掘機械磨損失效導(dǎo)致的費用近10億元,因此耐磨性是采煤機質(zhì)量的重要體現(xiàn)[15]。

3.1 硬質(zhì)合金截齒

18世紀(jì)中期,人工采煤使用碳素工具鋼制造的鋼釬,具有一定的硬度。1865年,英國人羅伯特·穆希特(Robert Mushet)發(fā)明了合金工具鋼,成為后來截煤機截齒材料。1907年,美國人愛烏德·海恩斯(Elwood Hayness)發(fā)明了含25%鉻的司太立(Stellite)合金鋼,使材料硬度顯著提高。1923年,德國人卡爾·施羅特(Karl Schroter)發(fā)明了粉末冶金法生產(chǎn)WC-Co硬質(zhì)合金方法,1931年德國克虜伯公司生產(chǎn)出WC-TiC-Co合金鋼。硬質(zhì)合金材料分為5類,即WC-Co合金,WC-TiC-Co合金,WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金,鋼結(jié)硬質(zhì)合金,碳化鈦基合金。硬質(zhì)合金具有高耐磨強度,被稱為工業(yè)的“牙齒”,在金屬基體上鑲嵌或焊接硬質(zhì)合金刀齒,齒柄材質(zhì)為30CrMnTi、30CrMnSi、34MnCrB4+TiB650等合金鋼。

硬質(zhì)合金截齒是第1代耐磨截齒。20世紀(jì)30年代初,蘇聯(lián)研制了一種韌性較好、含鈷12%~15%的硬質(zhì)合金截齒,成功用于截割中等硬度以上的煤巖。1938年,美國肯納(Kennametal,KMT)公司成立,持有WC-TiC-Co硬質(zhì)合金發(fā)明專利,專以粉末冶金方法制造機床刀具、地質(zhì)鉆頭、截齒、采煤機滾筒等。

1945年,蘇聯(lián)研發(fā)出波別吉特硬質(zhì)合金,其中的РЭ-6和РЭ-8兩種合金被用于制作耐磨齒頭,分為圓柱狀、圓錐狀和片狀3種形式。高爾洛夫斯基工廠制造出“莫斯科”截齒,齒身是合金鋼,齒頭為直徑10 mm、長度20 mm的РЭ-6或РЭ-8硬質(zhì)合金齒頭。1946年,蘇聯(lián)紅光工廠生產(chǎn)出КМЭ-1型硬質(zhì)合金截齒,如圖14(a)所示,齒身由Y-7碳素鋼制成,鑲裝厚6 mm、長16 mm的波別吉特硬質(zhì)合金齒片。1948年,戈比伊斯科工廠制造出“烏拉爾”截齒,如圖14(b)所示,齒身由30ХГС、35ХГС鋼制造,裝有厚10 mm、長20 mm的ВК-10或ВК-8硬質(zhì)合金齒片。20世紀(jì)40年代末期,蘇聯(lián)頓巴斯礦區(qū)使用含鎳、鉻、鎢的合金鋼制作截齒。

圖14 蘇聯(lián)研發(fā)的硬質(zhì)合金截齒

1951年,我國生產(chǎn)出鑿巖機的硬質(zhì)合金釬頭。20世紀(jì)60年代后期,我國開發(fā)出硬質(zhì)合金柱形齒尖。采煤機的硬質(zhì)合金齒尖主要型式分為多錐齒、蘑菇齒及放射齒,如圖15所示[16],多錐齒尖主要適用于截割硬煤層、中等沖擊功的截齒;蘑菇齒有利于提高強度和抗剪切力,適用于截割軟到中硬煤層;放射齒可用于不旋轉(zhuǎn)的截齒,每個合金齒的面被設(shè)計成一個特定角度。

20世紀(jì)80年代以前,國外采煤機截齒的齒尖材料主要是鎢鈷類硬質(zhì)合金,齒體是低鎳合金鋼;90年代中期,國外齒體材料采用中碳優(yōu)質(zhì)合金鋼,我國主要以35CrMnSi、30CrMnSi、40Cr等合金鋼為主[17];90年代末期,我國學(xué)者研發(fā)出新型高硅低碳空冷貝氏體鋼,成功用于制造齒體,使萬噸截齒消耗量比35CrMnSi齒體降低了8.8%[18]。

圖15 硬質(zhì)合金的3種齒尖型式

21世紀(jì)以來,為了提高截齒在割煤過程中承受循環(huán)沖擊載荷和摩擦熱效應(yīng)力的能力,截齒硬質(zhì)合金趨向于降低Co含量、增大WC晶粒度,以同時提高斷裂韌性及抗熱疲勞性能,晶粒度大于5 μm的超粗晶粒硬質(zhì)合金成為耐磨截齒材料的發(fā)展方向。美國肯納公司、英國海德拉公司、瑞典山特維克公司制造截齒選用WC-Co合金材料,WC平均晶粒度為5~6 μm,孔隙度為A02B00C00。國內(nèi)生產(chǎn)超粗晶粒合金截齒合金的企業(yè)主要有蘇州新銳、廈門春保、金鷺、浙江東鎢等,蘇州新銳公司開發(fā)了JZ10CC、XR12CC和CC13超粗晶粒硬質(zhì)合金,晶粒度為5~7 μm,硬度可達86 HRA[16]。2005年,科尼亞申(I Konyashin)等人研發(fā)出利用納米鈷粘結(jié)相(Co2W4C,2~5 nm)的馬斯特(Master)超粗晶粒鎢鈷合金,在路面銑刨機上進行了截齒磨損實測,馬斯特截齒的耐磨壽命大約是常規(guī)截齒的3倍,目前這種截齒已用于采煤機滾筒[19]。

梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金是一種新型耐磨硬質(zhì)合金材料。1986年,山特維克公司研制出一種雙相結(jié)構(gòu)梯度硬質(zhì)合金材料,簡稱DP(Dual Phase)合金,這種合金的外層含鈷3%,中間層含鈷約10%,中心層含鈷6%,采用梯度合金制造鑿巖球齒的使用壽命比傳統(tǒng)硬質(zhì)合金提高了3倍,鉆進速度提高23%,該公司生產(chǎn)了DP55、DP60和DP65 3種用于鑿巖刀具的梯度硬質(zhì)合金材料[20]。滲碳法是當(dāng)前較為成熟的WC-C梯度合金制備方法,通過滲碳使合金中的鈷相分布呈梯度變化,使其最外層和中間層均為WC+Co兩相組織,內(nèi)層為WC+Co+η三相組織[21]。2015年,寧波重石硬質(zhì)合金有限公司制成梯度硬質(zhì)合金截齒,裝在鑿巖開溝機上截割硬度為f15的巖石,梯度合金截齒損耗量與普通硬質(zhì)合金齒相比減少約36%[22]。

3.2 復(fù)合耐磨截齒

超硬材料復(fù)合截齒是第2代耐磨截齒,常用于鎬形截齒,其結(jié)構(gòu)如圖16所示。這種截齒既有超硬齒尖與齒體的復(fù)合結(jié)構(gòu),也有齒尖、齒體、齒柄表面的復(fù)合耐磨層,可有效提高截齒的整體耐磨壽命。超硬材料復(fù)合截齒分為鍍膜型、燒結(jié)型、焊接型等,在煤礦應(yīng)用最多的是焊接型復(fù)合截齒。

1966年,國產(chǎn)MLQ1-80型采煤機使用了復(fù)合耐磨鎬形截齒,齒尖材料為YG-8、YG-8C或YG-11C硬質(zhì)合金,齒身材料為35CrMnSiA、35CrMnV合金鋼或45碳鋼,齒身端部外表面為堆焊碳化物耐磨層,以保護齒身減少磨損。1976年,國產(chǎn)MLS3-170型采煤機先采用刀形扁齒,后來學(xué)習(xí)西德EDW-170型采煤機,改用硬質(zhì)合金柱齒的復(fù)合截齒。1992年,哈爾濱焊接研究所研制成功哈焊170-1型復(fù)合型耐磨截齒,在鶴崗、雞西、開灤礦務(wù)局的井下試驗表明,使用壽命比其他類型截齒提高1倍以上[23]。

1-齒尖;2-齒體;3-齒柄圖16 復(fù)合耐磨截齒結(jié)構(gòu)示意

3.2.1 沉積硬膜截齒

在截齒表面制備一層抗磨損硬質(zhì)薄膜,以提高截齒耐磨性,主要有化學(xué)氣相沉積(CVD)法和物理氣相沉積(PVD)法?;瘜W(xué)氣相沉積技術(shù)始于1890年,20世紀(jì)50年代成為硬質(zhì)合金涂層的商業(yè)化方法。1969年,瑞典可樂滿(Coromant)公司推出氣相沉積TiC涂層的硬質(zhì)合金刀具。以CVD制備耐磨刀具或耐磨截齒涂層主要有TiC、TiN、HfN、DLC(類金剛石)單層膜和TiC-TiN、TiC-TiCN-TiN多層膜[24]。

物理氣相沉積技術(shù)在真空條件下以電弧放電使靶材蒸發(fā)物質(zhì)及反應(yīng)物沉積到工件表面上,形成微米級厚度的表面鍍層,主要方法有真空蒸發(fā)鍍膜、濺射鍍膜和離子鍍膜。1963年,美國人馬托克(D M Mattox)研制成功真空離子鍍技術(shù),用于人造衛(wèi)星的耐磨零部件。早期的PVD耐磨涂層是TiN膜,后來發(fā)展出TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和TaC等多元復(fù)合膜。中科院寧波材料所制備出厚度達到100 μm的CrN等耐磨鍍膜,使PVD耐磨涂層厚度邁入亞毫米級,為提高截齒耐磨性開辟了新途徑。

3.2.2 燒結(jié)孕鑲截齒

金剛石孕鑲截齒是一種采用鋼體齒身和金剛石齒頭混料,通過粉末冶金方法熱壓燒結(jié)制成的耐磨截齒,耐磨性比硬質(zhì)合金截齒大幅度提高。

孕鑲金剛石截齒最早用于巖層鉆機,1862年瑞士人萊斯霍特(G A Leschot)第1次使用鑲有金剛石的管子鉆取柱狀巖心。20世紀(jì)60年代末,瑞典首先研制成功金剛石鉆頭的巖心鉆機。70年代中期,英國范摩普斯(Vanmoppes)公司用人造金剛石制造出孕鑲鉆頭,孕鑲鉆頭的金剛石層厚為5.5 mm、3.5 mm[25-26]。1970年,北京探礦工程研究所與上海砂輪廠聯(lián)合研發(fā)人造金剛石鉆頭,1974年制造出第1批人造金剛石孕鑲鉆頭,河南省地質(zhì)局三隊進行了石英巖層鉆進試驗,最高進尺達到80.12 m,最高時效為2.2 m/h[27]。2010年,張紹和等人發(fā)明了一種孕鑲金剛石采煤截齒,齒頭與齒身通過粉末冶金熱壓燒結(jié)成一體,提高了截齒耐磨性,減少了截齒折斷與脫落的幾率[28]。

3.2.3 焊接復(fù)合截齒

焊接復(fù)合的耐磨截齒是加熱熔融超硬材料粉末,在截齒表面焊接熔覆一個微米級厚度的耐磨涂層,主要方法有堆焊、釬焊、激光熔覆、等離子熔覆等。

(1)堆焊截齒。堆焊是一種傳統(tǒng)的抗磨技術(shù),以焊接手段對金屬零件表面進行耐磨性改質(zhì),堆敷一層或幾層耐磨材料形成耐磨截齒。

1887年,俄國人別納爾多斯發(fā)明碳極電弧焊鉗,20世紀(jì)初應(yīng)用碳極電弧焊實現(xiàn)了生鐵粉堆焊耐磨層。1930年,蘇聯(lián)史米特工廠的工程師發(fā)明了斯達里尼特硬質(zhì)合金(18% Cr、10% C、15% Mn、2% Si、55% Fe)粉末,用于截齒上堆焊4~5 mm耐磨層,在1941年之前,這種技術(shù)廣泛用于蘇聯(lián)的截煤機截齒耐磨處理。1943年,布·姆·康托洛夫創(chuàng)造了T-1號合金粉末,生產(chǎn)T-140、T-145、T-268、T-295、T-590等型號的耐磨焊條,用于截齒耐磨層堆焊[29],T-590耐磨焊條普遍用于聯(lián)合采煤機截齒,焊條組分為90%鉻鐵粉、5%碳化硼或鉻化硼、5%石墨粉,用水玻璃作為粘結(jié)劑[29]。

1956年,合肥礦業(yè)學(xué)院進行了T-590焊條堆焊試驗,使截齒表面硬度從37~40HRC提高到56HRC[30]。1974年,T-590耐磨焊條被用于采煤機損壞截齒修復(fù),耐磨壽命比原裝的13Mn截齒提高1倍以上。1980年,煤炭部生產(chǎn)司在赴英國考察之后推動哈爾濱焊接研究所開發(fā)出低碳高鉻含硼耐磨合金粉塊,用于采煤機滾筒和刮板機溜槽堆焊耐磨層,使用壽命提高了2倍。2000年以后,截齒堆焊耐磨技術(shù)成熟并開始工業(yè)化應(yīng)用,典型的堆焊材料有ZDY60、D317、D327、ZD5、Ni60+WC、Ni60A等。2008年,某礦在MGTY300/700型采煤機安裝了堆焊強化U92截齒,每萬噸產(chǎn)煤消耗截齒約5.3把,而未堆焊截齒消耗13.3把,耐磨性提高約2.5倍[31]。

(2)釬焊截齒。把低于截齒熔點的釬料填充到超硬齒尖與合金齒體之間空隙,整體加熱到釬料熔化后,液態(tài)釬料填充空隙而形成耐磨截齒。釬焊是人類最早使用的材料連接方法之一,在銅器時代人類就發(fā)明了用釬焊來連接金銀銅器。

20世紀(jì)50年代,瑞典山特維克公司采用釬焊技術(shù)制造出長達9 m的井下鉆深孔炮眼的柔性釬桿。1955年,上海工具廠采用高頻釬焊方法生產(chǎn)硬質(zhì)合金鑲片刀具。1964年,雞西機電廠創(chuàng)新鹽浴浸銅焊工藝來提高采煤機刀形截齒的硬質(zhì)合金刀片釬焊質(zhì)量,使釬焊效率提高2~3倍[32]。1983年,湖南煤炭科學(xué)研究所研制出釬焊硬質(zhì)合金的鎬形截齒,用粉末冶金工藝制成一種無鈷硬質(zhì)合金齒尖,齒體材料是40Cr鋼,釬焊采用105錳黃銅釬料[33]。2018年,鄭州機械研究所研制出Cu-Zn-Ni-Mn紐扣型釬料,把鎬形截齒的42CrMo鋼齒體與YG8硬質(zhì)合金齒尖進行釬焊,釬焊接頭抗剪強度達到260 MPa以上[34]。此外,國內(nèi)學(xué)者研發(fā)出釬焊立方氮化硼超硬齒尖的耐磨截齒,并用高頻感應(yīng)熔覆工藝在截齒本體的前端表面熔覆一層耐磨層,也有學(xué)者研發(fā)出金剛石復(fù)合粉在齒尖表面的釬焊工藝,制成金剛石涂覆的超硬截齒,耐磨壽命是無涂層截齒的2~3倍[35]。

(3)激光熔覆截齒。激光熔覆是利用激光束對金屬表面及覆蓋合金粉末同時熔化,并以極高冷卻速度快速凝固,實現(xiàn)涂層與金屬基體的冶金結(jié)合,從而使金屬表面具有優(yōu)良的耐磨性能。

1974年,法國人加納穆圖(D S Gnanamuthu)發(fā)明了金屬基體上的激光熔覆方法,開啟了激光熔覆耐磨技術(shù)。1979年,日本日立公司公開了激光熔覆提高汽輪機葉片抗汽蝕性能的專利。2014年,蘇倫昌等研制出FeCrSiBC鐵系合金為基體、添加一定量Ti、W、Mo等元素的耐磨合金粉體,在42CrMo截齒上制備激光熔覆耐磨涂層,使齒尖耐磨壽命提高1.8倍,齒體耐磨壽命提高3倍[36]。

(4)等離子熔覆截齒。等離子束熔覆(冶金)是以等離子弧為熱源,實現(xiàn)涂層與金屬基體的冶金結(jié)合,在金屬基體表面獲得一層均勻致密、結(jié)合牢固的耐磨涂層。

1967年,蘇聯(lián)巴東焊接研究所發(fā)明了交流等離子焊接設(shè)備。我國成都電焊機研究所先后在1970年、1975年和1977年研制出LH-10、LH-30、LH-16型微束等離子弧焊機。1979年,西德格里斯海姆公司研制成小功率微束等離子焊機。21世紀(jì)初,山東科技大學(xué)金納等離子科技有限公司研制出DRF-1型等離子束熔覆數(shù)控機床,選用Ni60A、FeCr67C6及鐵基合金粉末對截齒進行等離子束熔覆強化,在兗州礦業(yè)集團鮑店煤礦進行了工業(yè)性試驗,使用壽命比普通截齒延長約40%[37]。2009年,陳顥等人研制出鐵基合金粉末(3%~4.5% C,35% Cr,5% Ni,4.5% Si,0.4% B),在鎬形截齒齒頭離子束熔覆了厚度為3 mm左右的耐磨涂層,井下試用截齒的耐磨壽命提高2倍以上[38]。

3.3 聚晶金剛石截齒

聚晶超硬材料截齒是第3代截齒,它是由1種或2種超硬材料附加粘接劑,經(jīng)超高壓高溫?zé)Y(jié)制備的整體耐磨截齒。超硬材料可用金剛石聚晶、立方氮化硼聚晶或金剛石與立方氮化硼混合聚晶。聚晶金剛石(PCD)的結(jié)構(gòu)與天然金剛石相似,具有很好的韌性。1953年,瑞典通用電機公司(ASEA)首次合成出人造金剛石。1957年,美國通用電氣公司采用高溫高壓方法生產(chǎn)出第1批工業(yè)用人造金剛石小晶體,1963年研制出MBS系列人造金剛石,1973年研制出康帕克斯(Compax)聚晶金剛石刀片,從此PCD刀具在美國開始應(yīng)用,1976年研制出適合鉆進巖石用的斯特拉塔帕克斯(Stratapax)聚晶金剛石刀片[39]。

1963年,我國采用兩面頂超高壓力裝置制造出第1顆人造金剛石;1966年,六面頂超高壓機研制成功,當(dāng)年生產(chǎn)出1萬克拉人造金剛石,1983年我國人造金剛石生產(chǎn)能力超過1000萬克拉;1969年,北京地質(zhì)所與首鋼勘探隊、北京粉末所等單位聯(lián)合研制人造金剛石鉆頭,1970年首批人造金剛石鉆頭開展試驗;20世紀(jì)70年代中期,多晶金剛石鉆頭在地質(zhì)勘探中試用,勝利油田首先將多晶金剛石制作刮刀鉆頭[40]。

熱穩(wěn)定聚晶金剛石采用微米級的單晶金剛石燒結(jié)而成,在超高溫高壓下直接燒結(jié)。2004年,澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院研制出熱穩(wěn)定聚晶金剛石(TSDC)截齒,對比實驗表明,TSDC截齒的切割性能比WC硬質(zhì)合金截齒分別高出3.5倍(切割砂巖)和150倍(切割花崗巖)[41]。

1987年,美國人特雷西·霍爾(Tracy Hall)在梅加金剛石(Mega Diamond)公司研制出金剛石強化柱齒,在1450℃高溫和6000 MPa高壓下,燒結(jié)出復(fù)合多層聚晶金剛石包覆的碳化鎢柱齒。2008年,美國人邁克爾·奧尼爾(Michael O'Neill)發(fā)明了一種適用于采煤機的自銳型金剛石截齒,將金剛石齒尖做成楔形或者圓錐形,齒尖周圍用一層或者多層硬質(zhì)合金材料包裹保護[28]。2008年,周志平等人發(fā)明了一種高耐磨金剛石復(fù)合截齒,如圖17所示,在錐形齒體外表面電鍍厚度為0.6 mm的金剛石層,在齒尖表面制備聚晶金剛石層,從而大幅度提高了齒柄端頭的耐磨性,使用壽命比硬質(zhì)合金提高了10~20倍[42]。2009年,美國人大衛(wèi)·霍爾(David R Hall)發(fā)明了一種既具有高抗沖擊性能又具有熱穩(wěn)定性的聚晶金剛石鎬形齒尖。2017年,盧燦華等人采用納米結(jié)合劑梯度過渡層連接技術(shù),在六面頂壓機上合成路面銑刨機用聚晶金剛石截齒頭,抗沖擊韌性高達1220 J/cm2,截齒在銑刨瀝青混凝土路面時的耐磨壽命是硬質(zhì)合金截齒的6倍[43]。

1-齒體;2-硬質(zhì)合金基體;3-金剛石電鍍層;4-聚晶金剛石齒頭圖17 聚晶金剛石復(fù)合截齒結(jié)構(gòu)示意

3.4 滾筒耐磨材料

采煤機滾筒在割煤過程中承受落煤的沖擊和擠壓作用,磨損問題十分突出,解決這個問題的主要途徑是選擇耐磨鑄鋼材料,整體鑄造出耐磨滾筒殼體。過去很長時間,德國艾柯夫公司和美國久益公司制造的采煤機滾筒殼體的強度和韌性都優(yōu)于國產(chǎn)滾筒,耐磨壽命比較長。西安煤機廠對ZG25MnF8滾筒殼體材料進行了微合金化改良及細化晶粒度處理,提高了鑄鋼殼體材料的力學(xué)性能。國內(nèi)外滾筒材料的化學(xué)成分比較如表1所示,經(jīng)過改進,國產(chǎn)滾筒殼體材料屈服強度可達810~835 MPa,抗拉強度為1010~1021 MPa,耐磨性能接近國外先進水平。

表1 滾筒鑄鋼材料化學(xué)成分 wt%

4 截割滾筒降塵技術(shù)

機械化采煤顯著提高了煤炭開采效率,但也使工作面粉塵量大幅度增加,約有70%~85%的煤塵由采煤機作業(yè)產(chǎn)生。粉塵來源與所選用的采煤機及其工藝有關(guān),美國安全與勞動保護局實測結(jié)果表明,若刨煤機揚塵量為100%,則單滾筒采煤機為92%,雙滾筒采煤機揚塵量為20%[44]。

煤塵濃度過高將嚴重影響礦工健康,也是煤塵火災(zāi)和爆炸事故的主要根源。西德曾對13個煤礦1800名井下工人的工作環(huán)境和身體狀況進行過跟蹤統(tǒng)計,結(jié)果表明,礦工塵肺病的發(fā)病原因與其在工作面的呼吸性粉塵量密切相關(guān),引起塵肺主要是5 μm以下的呼吸性粉塵。礦工吸入煤塵累計值對塵肺發(fā)病率的影響如圖18所示[45]。早在1970年,英國規(guī)定長壁工作面粉塵濃度應(yīng)小于8 mg/m3。1974年,西德對井下工作地點空氣中允許的細粉塵濃度制定嚴格要求,在石英含量低于5%的工作面,允許粉塵濃度為4 mg/m3;在石英含量高于5%的工作面,允許粉塵濃度為0.15 mg/m3。這些控塵要求推動了采煤機抑塵技術(shù)改進,采煤機控塵途徑主要是截割工藝減塵、滾筒噴霧降塵、吸塵滾筒除塵。

圖18 礦工塵肺病率與吸入粉塵量關(guān)聯(lián)性

4.1 截割工藝減塵

減少落煤二次破碎是降低綜采工作面粉塵量的有效方法,因此改進采煤機結(jié)構(gòu)或改變截割工藝是重要的防塵措施。美國學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),滾筒截齒的前角、后角和刃角對煤塵產(chǎn)生強度有很大影響,提高牽引速度可以降低煤塵產(chǎn)生強度,由此建議截齒的間隔角為5°,截齒最佳傾角為30°,截齒切割速度小于3.5 m/s。如果滾筒螺線間距比截深大一倍,截齒數(shù)減少20%~30%,可顯著降低含塵量。美國煤礦試驗證明,加大采煤機截割深度和降低滾筒轉(zhuǎn)速有利于減少粉塵產(chǎn)生量,采煤機滾筒轉(zhuǎn)速從70 r/min降到35 r/min,并使截深增大1倍,粉塵產(chǎn)生量可減少60%,切割深度和截齒速度對粉塵量的影響如圖19所示[46-47]。

4.2 滾筒噴霧降塵

在采煤機截割滾筒周圍噴射水霧,有助于煤粉快速集聚成團,能取得顯著的降塵效果。最早研發(fā)的是滾筒噴射泡沫降塵技術(shù),1957年美國礦山保安用品公司(MSA)使用表面活性劑低倍數(shù)泡沫抑塵方法,1968年研發(fā)出采煤機高倍數(shù)泡沫抑塵技術(shù)。1963年,蘇聯(lián)在頓巴斯西南1號礦井的УКТ-2М型聯(lián)合采煤機上使用泡沫降塵裝置,1971年在1К-101型和2К-52型采煤機上安裝了泡沫降塵裝置。1969年,美國礦業(yè)局委托孟山都公司(Monsanto Company)和代頓(Dayton)實驗室研發(fā)泡沫除塵技術(shù),1983年泡沫除塵系統(tǒng)先后在西弗吉尼亞州和猶他州的兩個長壁工作面進行了井下試驗。1973年,日本將吸氣式泡沫發(fā)生器安裝在采煤機搖臂的千斤頂箱上,噴射泡沫距離為2 m左右[48],1983年又進行了泡沫除塵研究,并在采煤機上進行除塵試驗,泡沫除塵比水霧除塵效果提高30%~50%。

圖19 采煤機截割參數(shù)對煤塵濃度影響曲線

1984年,我國煤科院上海研究所開始研究泡沫除塵技術(shù)。1986年,湖北省勞保所開始研究鑿巖機泡沫除塵技術(shù),研發(fā)的泡沫除塵器在五臺煤礦和武鋼程潮鐵礦的鑿巖工作面進行了現(xiàn)場試驗,取得良好效果。

在截割滾筒落煤時,特別是同時切割巖石的情況下,會產(chǎn)生高濃度的細粉塵,設(shè)置內(nèi)外噴霧系統(tǒng)可使粉塵濃度大幅度下降。內(nèi)噴霧是通過安裝截割滾筒上的噴嘴直接向截齒的切割點噴射水霧,實現(xiàn)“濕式截割”,以防止摩擦火花和抑制粉塵。外噴霧是從截割部、搖臂或擋煤板噴出水霧來覆蓋塵源,使粉塵濕潤沉降。試驗表明,最有效的降塵措施是內(nèi)噴霧,其次是外噴霧。1971年,英國學(xué)者提出截割煤層時噴灑水霧,可以抑制煤塵燃爆事故,英國礦山安全研究所對此進行了系統(tǒng)試驗。1972年,英國安德森公司制造的AM500采煤機滾筒上安裝了內(nèi)外噴霧系統(tǒng)和文丘里降塵系統(tǒng)。1976年久益公司生產(chǎn)的1LS采煤機把冷卻噴霧水流經(jīng)滾筒軸心孔到螺旋葉片外緣彎管上的噴嘴進行齒面噴霧滅塵。1978年,美國研發(fā)出被稱為“采煤機除塵器”的噴霧裝置,在采煤機周圍產(chǎn)生強大的交叉氣流,有效遏制塵云擴散,使采煤機司機周圍的粉塵濃度降低50%~60%,再配合外噴霧系統(tǒng),工作面降塵率可達70%~80%,到1982年,美國煤礦已有24個工作面采用了“采煤機除塵器”。美國礦業(yè)局開展了多種噴嘴降塵性能試驗,如圖20所示,從中可見霧化噴嘴的降塵效果最好,但這種噴嘴存在易損壞、易堵塞的問題,限制了在井下推廣使用[49]。

1-霧化噴嘴;2-空心錐形噴嘴;3-文丘里噴嘴;4-扇形噴霧噴嘴;5-文丘里引射器圖20 采煤機各種噴嘴降塵效果試驗曲線

滾筒采煤機采用內(nèi)噴霧時,噴嘴應(yīng)布置在截齒后側(cè),如圖21所示。這種布置形式不僅能獲得最好的降塵效果,而且功耗最小,噴射的水霧對截齒還有冷卻作用,有益于提高截齒使用壽命[45]。英國艾克(Aco)公司研制了多種型式的內(nèi)噴霧截齒,截齒體內(nèi)有水道和內(nèi)噴霧孔,噴霧水流經(jīng)截齒體后再從截齒端部噴射出去,提高了滅塵效果,減少了噴霧用水量,也降低了商品煤含水量。

圖21 截齒外噴霧的噴嘴布置示意

1977年,無錫煤機廠研制出XPB型噴霧滅塵泵站,如圖22所示,它是我國制造的第1臺綜采機械化噴霧滅塵泵站。1978年,煤炭研究院上海研究所研發(fā)出PU型采煤機滾筒外噴霧器,在大同礦務(wù)局一礦和三礦試用,采煤機司機位置和采煤機后15 m處的煤塵濃度分別降低78%和65%。1979年5月,PUN型引射式噴嘴在徐州礦務(wù)局權(quán)臺煤礦3111工作面的蘇制КШТКГ型雙滾筒采煤機上進行試驗,采煤機司機位置和采煤機后15 m處的煤塵濃度降低了55%和58%,比原蘇聯(lián)機組的降塵效果提高了7%左右[50-51]。國產(chǎn)DY-100型采煤機滾筒軸中心裝有內(nèi)噴霧水管通向滾筒,在截割時具有內(nèi)外噴霧相結(jié)合的滅塵效果。

圖22 我國第1臺XPB型噴霧滅塵泵站

4.3 吸塵滾筒除塵

1982年,英國煤炭公司和海德拉刀具公司研制出吸塵滾筒,如圖23(a)所示,它基于高壓水射流引射效應(yīng),在滾筒軸上均勻布置若干引射器以負壓吸塵,降塵效果比傳統(tǒng)的噴霧滾筒提高60%~80%。美國對這種吸塵滾筒也進行了井下試驗,在采煤機司機工作位置的粉塵降低約40%[52]。這種吸塵滾筒既能有效控制煤塵,又把大量新鮮風(fēng)流吸向截煤區(qū),實現(xiàn)了降低煤塵和甲烷濃度一體化控制。到1990年,英國煤礦使用約900臺海德拉吸塵滾筒。2000年,徐州礦務(wù)局也研制出吸塵滾筒,在旗山礦13202工作面的4MG-200W采煤機上進行試驗,采煤機回風(fēng)側(cè)5 m處的粉塵從280 mg/m3降到50 mg/m3,降塵率為82.1%,采煤機司機位置的粉塵濃度由116 mg/m3降至15 mg/m3,降塵率為91.8%[53]。

1989年,西德沃爾沙姆煤礦(Walsum)試制一種具有煤塵吸取功能的指數(shù)曲線形滾筒,如圖23(b)所示,滾筒內(nèi)側(cè)均勻分布5個吸塵槽,每個吸塵槽有2個向內(nèi)噴嘴,噴出11 MPa的高壓水流而使吸塵槽內(nèi)產(chǎn)生負壓,能以2 m3/s流量吸入滾筒外的粉塵,并被噴霧流噴濕沉淀,形成煤泥漿流向刮板輸送機,這種方法可獲得25%~50%的降塵效果[54]。

1-循環(huán)水管;2-搖臂;3-通向吸塵槽的水管;4-通向滾筒噴嘴的水管;5-擋煤板;6-吸塵槽;7-噴嘴圖23 吸塵滾筒結(jié)構(gòu)示意

5 結(jié)語

截割結(jié)構(gòu)是采煤機高效切削煤層的“牙齒”,應(yīng)具備高截割性、高可靠性、高智能性。經(jīng)過100多年的發(fā)展,截齒滾筒已成為采煤機截割機構(gòu)的主流構(gòu)型,截齒主要是耐磨齒體復(fù)合超強齒尖的刀形截齒或鎬形截齒,割煤降塵主要采用外噴霧和二次負壓聯(lián)合降塵技術(shù)。從仿生學(xué)角度看,采煤機截割機構(gòu)具有了動物利爪挖掘功能的形態(tài)仿生,但智能仿生還需要深入研究。

老虎的殺傷力除了源自其強大爆發(fā)力和快速攻擊力,還要依靠其精良武器,即鋒利的牙齒和可伸縮的尖爪?;⒆Φ募‰煺{(diào)控機制如圖24(a)所示,在伸肌和屈肌配合控制下,尖爪可以自由伸縮。在行走或奔跑時,尖爪能屈縮到骨質(zhì)爪鞘中,避免磨損,形成更大的接觸面積。在捕獵食物時,尖爪伸展出來,鋒利的虎爪在老虎前肢極強的掌力揮動下,對獵物產(chǎn)生致命的襲擊。這種機構(gòu)在挖掘機設(shè)計中得到充分運用,如同虎爪的挖斗能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的控制。但在采煤機截割機構(gòu)中尚未得到充分體現(xiàn),截齒的旋轉(zhuǎn)截割模仿了虎爪的撲殺運動,而截齒的爆發(fā)沖擊力發(fā)揮的不充分。此外,老虎在撲殺過程中,虎爪產(chǎn)生向外的撕裂作用力,使撕碎食物更加高效,這是采煤機截割機構(gòu)需要仿生的關(guān)鍵點,若截齒具備這種能力,就能利用脆性煤層抗拉強度弱的特點,產(chǎn)生刺入煤層沖擊破碎與撕扯煤層裂碎的聯(lián)合落煤效果,使煤層截割更加高效節(jié)能。

圖24 虎爪屈伸調(diào)控及其仿生應(yīng)用

致謝:謹以此文向為我國采煤機截割機構(gòu)技術(shù)發(fā)展做出卓越貢獻的前輩們致敬!感謝博士生郭倫峰繪制本文的部分插圖,苗丙幫助查找到一些圖書。作者致謝為本文索引資料提供便利的中國知網(wǎng)、百度咨詢、360百科等信息平臺。本文述及的采煤機技術(shù)研發(fā)年份可能有偏差,請讀者幫助校正和補充。

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