采煤机长螺杆断裂原因分析及解决措施

卢剑波

（大同市焦煤矿有限责任公司， 山西 怀仁 038001）

引言

随着综采技术的迅猛发展，滚筒式电动牵引采煤机的应用越来越频繁，成为了综采工艺中的常用设备之一。在实际的工作过程中，采煤机的剪切滚筒承受着复杂的力。滚筒的切割反作用力有三个去向，分别是被左牵引箱，中间电控箱和右牵引箱消化。采煤机主体三部分的连接主要由6 组长螺杆组件和几组短螺杆组成。最近，山西某矿井在作业过程中有一个长螺杆被打断，由此可见采煤机的可靠性还有待改进。

1 长螺杆断裂故障

长螺杆组件沿采煤剪切机主体的圆周方向进行安装。每个长螺杆组件均包括一个长螺钉、液压螺母、垫圈和螺母，具体组成结构见图1。

图1 长螺杆组件构成示意图

通过对长螺杆的断点位置进行探究，得知在液压螺母和垫圈之间存在一个明显的连接螺纹，这就是螺杆嘴脆弱的地方，极易产生断裂。图2 可以看见一小部分断裂处的形态，这个断裂的截面竟然一点都不粗糙。并且在液压螺母和断裂的螺杆部分掉入之前，一直都在正常运行，直至断裂掉入刮板输送机后才有了故障发生。因此，截断长螺丝的一部分以进行质量检查。损坏的样本如图3 所示。

图2 长螺杆断裂面局部图

图3 长螺杆断裂截取样本

2 断裂原因

发生断裂事故之后，产品质量变成了作业中重点关注的问题，需立刻进行强度检查和材料测试分析来规避事故。

2.1 强度检查

长螺杆的材料为40CrNiMoA，屈服极限σs=835 MPa，断裂处的螺纹规格为M72×4，最大允许液压螺母油压为180 MPa，相应的拉力F=1 343 kN。长螺丝断裂部分的最小直径d=67.5 mm，该断裂部分承受应力 σ=4F/ （πd2）=375.5 MPa； 螺 丝 的 安 全 系 数n=σs/σ=2.2。符合强度设计要求。

2.2 材料刚试检验

1）在检测过程中需要使用光谱分析仪来检测长螺杆材料所包含的一些化学成分。结果见表1。每种材料的组成都正常且符合要求。

表1 材料主要成分质量分数表 %

2）返回的长螺钉通过维氏硬度法进行测试，其中深度值为长螺钉与样品表面之间的距离，最后检测得到的硬度值见下页表2，绘制出的硬度曲线见下页图4。

对图表进行分析和探究，发现了一个有趣的现象，虽然长螺杆表现得硬度和芯体硬度不太一致，但测试出来得硬度值竟然相同，满足图纸的设计要求。

表2 硬度情况检测表

图4 硬度曲线图

3）将提取出来的显微样本放大400 倍，检测得到了理想的结构组织，该结构详见图5，这与材料的热处理结构相符。

2.3 现场调研

由于长螺杆材料强度安全系数检查和材料试验检查都是严格按照图纸的设计要求来完成的，因此当究其根源，我们去煤矿进行了现场调查，通过对采煤机的各方面情况进行分析和研究，得出了以下几点结论：

1）工作面遭遇不良故障时，脉石硬度为6，煤的硬度为3。当采煤机发生切割故障时，振动和冲击负荷会异常增大，因此会给采煤机机体带来比较强烈的振动。再加上应力集中所带来的作用，使得长螺杆的底部会遭受到较大的应力作用，容易出现疲劳裂纹，这是长螺杆产生断裂最重要的原因。

2）在矿业作业过程中，往往会要求产量和效率都要达到一个很高的水平，采煤过程中采煤机的牵引速度一旦超过一定的数值，就会变得比较危险，因为采煤机背负着很重的荷载，并且比正常值大得多，这也是长螺杆容易断裂的重要原因之一。

3 改善措施

1）高频振动容易产生一系列问题，比如在螺纹底部的应力集中区域很容易因为高频振动而产生早期裂纹，于是可以考虑从长螺杆的热处理过程入手，即在这一过程中经轧制后增加回火工来解决应力集中的问题。

图5 芯部金相组织图

2）由于工作面发生故障时，采煤机会产生的剧烈振动和冲击，于是考虑在长螺杆的两端端口处增加橡胶减震器，以改善采煤机的振动条件。

3）为达到生产高效率的目的，对矿山的不正常运行进行了培训，对采煤机管理人员进行了培训，并加强了设备维护和保养。采煤机机体内有6 个长螺钉。维护期间，矿山定期压紧并预紧每根长螺钉，然后根据操作规格将其均匀按入，尽量使得长螺杆在均匀受力的情况下工作。

4 结语

针对上述提到的采煤机长螺杆常见的故障问题，首先从材料本身入手，然后根据现场实际情况进行分析。通过两者相结合共同找出导致长螺杆断裂的因素，分析发现工作面的地质条件很差，这对采煤机的振动情况影响很大，于是长螺杆的自身应力全部集中在螺纹底部，这种状态下就容易产生疲劳裂纹，从而停止工作。针对故障原因来寻找解决途径，改善应力集中的状态和阻尼措施来延长螺钉的使用寿命。经过长期的地下试验，发现该途径大大提高了长螺杆的可靠性，节省了矿山成本，提高了采煤机的开工率。同时它也为开发高产高效采煤机方面提供了很多前置性的经验，对于产品质量也有了很大程度的提升。