6686体育(1.中国矿业大学(北京)机电与讯息工程学院，北京市海淀区，100083；2.中国矿业大学(北京)机灵矿山与机械人咨询院，北京市海淀区，100083)

　　摘 要截割机构是采煤机自愿化、智能化切削煤层的症结安装，必需具备高截割性、高牢靠性、高智能性的“三高”技能。因为截割机构的功耗约占采煤机装机功率的80%以上，窒碍率占到采煤机窒碍率的50%以上，近百年来国表里对采煤机截割机构实行了不绝的改革和立异，包含截割滚筒构型、截齿构型、耐磨截齿、截割滚筒降尘本事等，截割机构也从链条截齿式起色为滚筒截齿式。截割滚筒从饱形滚筒成立之后，资历了自装载滚筒、螺旋滚筒、自切入滚筒、强力滚筒的起色改良。截齿构型起色资历了5个阶段，永诀是刀形截齿、镐形截齿、强力截齿、尖头镐形截齿、大截深刀齿。截齿耐磨寿命对付采煤机牢靠性影响很大，目前已起色了三代耐磨截齿，第一代是硬质合金截齿，第二代是复合耐磨截齿，第三代是聚晶金刚石截齿。因为滚筒采煤机的利用增大了管事面粉尘天生量，因而研发出截割工艺减尘、滚筒喷雾降尘、吸尘滚筒除尘等抑尘本事；目前多采用表喷雾和二次负压连合降尘本事。初次从虎爪组织仿生角度商讨了截齿及截割机构的起色旅途，以为改日采煤机截割机构的仿生策画是实行高截割性、高牢靠性、高智能性的新旅途。

　　症结词采煤机 起色进程 截割机构 滚筒构型 截齿构型 耐磨截齿 降尘本事 仿生截齿策画

　　采煤机截割机构是诈骗呆板动力切削煤层的临盆功课机具，采煤机自愿化、智能化的重要把持性能都纠集于截割机构，而截割机构的功耗约占采煤机装机功率的80%以上，硬齿截割机构的窒碍率占到采煤机窒碍率的50%以上。因而，高职能采煤机的截割机构必需具备高截割性、高牢靠性、高智能性的“三高”技能。

　　高截割性显露为截割机构的单元能耗低，50 mm以上的块煤临盆率为70%以上，截割阻力震荡幼于10%，采煤机运转历程中安闲性好，有足够的截割力以截割硬度突变的煤层，拥有高临盆技能。该个性的实行应从切削道理、截齿构型、截齿组织、截割参数等方面实行截割机构优化策画。

　　高牢靠性显露为截割组织拥有足够的承载强度、抗攻击强度和耐磨损强度，从而担保采煤机拥有1000万t以上的均匀无窒碍时期(或大修周期)。该个性的实行需对截割机构实行全部的质料策画、强度策画、摩擦学策画、动力学策画、牢靠性策画等。

　　高智能性显露为当煤层厚度、硬度、完全度变革时，截割机构拥有自帮感知和调控技能，也许自适宜调高、自适宜调速、自适宜调转，从而抵达无人过问的自帮截割。该个性的实行要从煤层探测、煤岩识别、跟踪定位、自愿把持等方面予以担保。

　　人类从动物仿生创作了凿岩的截齿东西，办理了对坚硬岩石攻击碎裂力学的使用困难。最初人们仿灵动物利齿创造了镐头、钎甲第发掘东西，而早期的截煤机截齿与虎爪形状万分好似，如图1所示，弯曲的齿尖有利于切线目标爆发强力攻击，强悍的齿体担保了截齿抗攻击刚度。

　　仿生的截割机构设有传动部件，带头截齿运动爆发攻击力而破煤。老虎前爪长约4 cm，摇动来的发生力高达6 kN，足以带头尖爪刺入树木和猎物表皮。情景地看，截齿宛若采煤机的“尖爪”，传动部件犹如采煤机“前肢”，二者有机合成动力，才华高效截割煤层。

　　跟着人们对截割机理清楚不绝长远，采煤机的截割机具不绝改革(见图1)。截割机具从最初的直线切削办法起色为扭转切削办法，采煤机截割效力得以明显普及。正在20世纪30年代到50年代光阴，人们实行了钻削式、截盘式、截楔式、端铣式、立式滚削、横式滚削等多种截割组织策画和试验，最终筛选出横置滚筒铣削式截割机构，成为采煤机的主流截割组织。从1952年起，采煤机滚筒截割机构资历了饱形滚筒、自装载滚筒、螺旋滚筒、自切入滚筒、强力滚筒的5次改良。当今，螺旋截割滚筒已是采煤机遍及采用的高效截割机构，截齿切削圆直径从当初的0.8 m起色到目前的4.3 m，单个滚筒截割功率从10 kW普及到1100 kW。

　　本篇将重要记忆采煤机滚筒截割机构的起色进程，包含截割滚筒构型、截齿、耐磨截齿、截割滚筒降尘本事起色。

　　1912年，截煤机获取了英国专利，但当时没有策画出配套的呆板打扮煤修立，所以未能付诸实践利用。1925年，德国克纳普呆板创造厂临盆出第1台长壁管事面采煤机装煤机械。1934年，英国临盆并利用了麦柯-摩尔(Meco-Moore)深截式采煤机，如图2(a)所示，1938年德国埃克霍夫公司创造出“钢铁矿工”型采装机，如图2(b)所示，底部是截链，上部是横置截杆，截杆端部是截盘，它们的截割机构立异对长壁管事面滚筒采煤机起到了决意性的激动影响[1]。

　　1940年，英国安德森公司临盆出AB15型截杆式截装机，如图3所示，设有立式双截杆和底截盘的复合截割机构，截杆立柱直径约20 cm，底部直径约40 cm，立柱四周分列4条截齿，这当属第1个幼直径截齿滚筒。1948年，美国利诺斯(Lee-Norse)公司研造出CM-48型截盘式连采机，如图4所示，设有4个装正在立轴上的动弹截盘，它是盘式截割滚筒的初次利用，也是采煤机滚筒端盘组织的雏形。

　　为了普及截割效力，截割滚筒不绝改革，展现了饱形截割滚筒、螺旋截割滚筒、端铣截割滚筒、弧线截割滚筒、阶梯截割滚筒等构型。

　　1948年，英国安德森公司创造出截盘滚筒式采煤机，截盘滚筒诈骗截割和锲劈相联合的道理实行落煤，这是滚筒式截割机构初次用于采煤机[2]。西德研发的截盘滚筒采煤机正在井下的试验景色如图5所示，截割盘崩落煤量与截齿切割煤量永诀为65%和35%，切割面呈75°，煤壁不会爆发片帮，担保了截割的平和性。

　　1952年，英国煤炭局西局限局主任詹姆斯·安德顿爵士策画了安德顿型采煤机，截割机构是饱形滚筒，被以为是第1代滚筒采煤机，今后几年，安德顿采煤机策画出4种截割滚筒组织，如图6所示。1954年，德国艾柯夫公司创造出第1台W-SE-Ⅲ型固定滚筒采煤机，装有饱形截齿滚筒和台式装煤犁。1956年，英国创造出萨姆逊(Samson)型滚筒连合采煤机，它是安德顿连合采煤机的改革机型，策画了似乎圆柱铣刀的幼角度螺旋截割滚筒[3]。

　　1959年，安德森公司临盆了AB16-安德顿型滚筒采煤机，初次策画了带有端面截齿的单螺旋线截割滚筒，借帮于滚筒切近煤壁，自开机窝而直接切入煤层。1970年，安德森公司推出AB-II型双滚筒采煤机，摆设了端面分列四螺线截齿的自切入滚筒，如图7所示。

　　1980年4月，艾柯夫公司创造出EDW-450L型强力采煤机，初次策画采用了盘形截齿滚筒，它是六头螺旋截割滚筒，正在恩斯多夫煤矿试验，管事面每天4班功课、割煤8刀，每个功课班的管事面装备10人，运输巷及端头装备6～10人，回风巷装备2人，可能日产原煤5000 t[4]。正在积蓄了试验数据之后，策画创造出第2代5头螺旋盘式截割滚筒。

　　跟着采煤机功率增大，展现了截割滚筒的落煤技能随之增大而装煤技能未能普及的题目，为此策画了两种异形滚筒组织，如图8(a)所示。第1种是圆锥形滚筒，其筒毂呈圆锥形，煤壁端的直径大，卸载端的直径幼；第2种是指数弧线形滚筒，其筒饱呈下凹弧线]。比较理会结果讲明，指数弧线形筒毂半径不绝缩幼，使煤块的轴向运动速率大于圆锥形筒毂的轴向速率，所以它的装载职能优于守旧的圆柱形滚筒和截顶圆锥形滚筒，删除了块煤二次粉碎，煤尘天生量比圆锥形滚筒消重约5%，比圆柱形滚筒消重约15%[6]。2015年，刘送永等人创造晰一种阶梯形滚筒，如图8(b)所示，这种滚筒能正在高应力煤岩上开设应力卸载槽，变成自正在面，实行对深井高应力煤岩的开采。

　　截割滚筒上的截齿摆设形状决意了采煤机割煤效力，截割滚筒的螺旋叶片头数、截齿分列地势、截线距巨细、单元切割面积的截齿数目对割煤职能至合厉重。螺旋滚筒上的截齿重要有4种分列地势，即程序式分列、棋盘式分列、畸变1式分列和畸变2式分列，4种截齿分列的切削图如图9所示。实践上，切削图是截齿的最大切削深度轨迹，其断面形态直接影响落煤块度。截齿点位的形态越大、越正直，割煤成果越好，反之越差。日常情景下，双螺旋线的截齿可排成程序式和棋盘式，三螺旋线的截齿可排成程序式、畸变1式和畸变2式，四螺旋线的截齿可分列成程序式、棋盘式、畸变1式和畸变2式。截割中硬煤层的滚筒直径幼于1.6 m时，经常采用双头螺旋滚简；截割硬煤层的滚筒直径大于1.8 m时，经常采用3头螺旋滚筒

　　1961年，艾柯夫公司临盆EDW-200型采煤机，策画了双头螺旋截割滚筒；1964年临盆EDW-170-L型双滚筒采煤机，策画了单头螺旋截割滚筒。1965年，英国安德森公司临盆的MK-II采煤机策画了4头螺旋截割滚筒。1976年，法国SAGEM公司临盆出SIRUS-400型采煤机，滚筒型式是3头螺旋截割滚筒。1976年，美国久益公司临盆出第1台1LS电牵引采煤机，采用双头螺旋滚筒，装有表露长度75 mm的径向刀形截齿(也可用镐形截齿)，每条截线型单滚筒采煤机，采用镐型截齿和1 m截深的双头螺旋截割滚筒，端盘掏槽深度为82 mm，端盘截齿分列是3组6线式，截线距从煤壁出手顺序分列为5、5、5、35、32 mm。1978年，MLQ1-170型采煤机采用双头螺旋截割滚筒，其截齿分列如图10所示。

　　采煤机截齿日常分为刀形截齿和镐形截齿，如图11所示。镐形截齿以齿尖撞击煤体而爆发挤压力，使煤体沿着齿尖周边的弱强度面自正在碎落。刀形截齿爆发剪切力，刀刃攻击煤体时，剪切影响使煤层强造破落，落煤块度巨细取决于截齿的前刃面的面积和切削厚度。依照装配位子区别，它们又分为径向截齿和切向截齿，其分别是截齿轴线与滚筒半径目标的夹角区别。齿柄轴线沿滚筒半径目标的截齿称为径向截齿，齿柄轴线与滚筒半径成肯定夹角的截齿称为切向截齿。

　　1914年，德国威斯特伐利亚矿冶连合公司(GEW)创造出宇宙第1台链式截煤机，正在联接链板上装配了刀形截齿。1928年，苏联高尔洛夫斯基工场研发出链牵引的ДТ型截煤机，临盆的截齿采用У-7、У-7A、У-8碳钢创造。1937年，GEW公司正在依本比伦煤矿创作了第1台刨煤机，正在钢轨上焊接数个楔形刨刀，这是最早的镐形截齿用于煤层截割。1951年，美国久益公司创造出1CM型相接采煤机，截割滚筒采用了镐型截齿。

　　(1)第1阶段：遍及操纵刀形截齿。20世纪50年代初，苏联创造的螺旋滚筒浅截式连合采煤机采用И90型刀形截齿。1971年，法国生产的DTS-300型采煤机滚筒上装有刀形截齿。1975年，苏联临盆的КШ-1КГ型采煤机采用锻压的刀形截齿。1962年日本三池煤矿操纵第1台滚筒采煤机，操纵装有刀片的幼型刀齿，1975～1980年操纵无刀片的幼型刀齿，1984年出手操纵大型刀齿，1989年操纵强力刀齿。

　　(2)第2阶段：广博操纵镐形截齿。20世纪60年代初出手采用镐形截齿， 1966年英国煤矿操纵了95万个，但镐形截齿正在大截深时的截割阻力明显增大，跟着采煤机功率不绝加大， 1974年镐形截齿的操纵量降至不够10%。1968年，波兰临盆的KWB-3DS型采煤机滚筒的表周装有镐形截齿，端盘圆周装有刀形截齿，端面3条辐射状截线年，日本出手研造镐形截齿，1990年实行了现场比较试验，镐形截齿损坏量比刀形截齿删除约23%

　　(3)第3阶段：研发利用强力截齿。1963年，英国研造获胜形态宛若凿子的强力截齿，兼有镐形截齿和刀形截齿的益处，硬齿装正在大螺距滚筒叶片上，截齿数目删除一半。1970年大截齿出手增添操纵，英国霍伊(HOY)公司SP400强力截齿长200～255 mm，齿伸(截齿蔓延长度)100～155 mm，齿柄截面30 mm×50 mm。硬齿到1974年，英国煤矿已有100多个管事面操纵大截齿滚筒，块度50 mm以上的落煤量加多28%，煤尘量删除25%[9]。1990年，苏联拓荒出PO100型强力截齿，全长200 mm，齿伸100 mm，硬质合金片厚18 mm。1990年，瑞典山特维克(Sandvik)公司临盆出PR110径向强力截齿，齿伸110 mm，齿柄截面35 mm×55 mm，正在英国煤矿操纵寿命伸长3倍，齿耗消重35%。

　　(4)第4阶段：操纵尖头镐形截齿。1986年美国肯纳(Kennamatal)公司研发出可扭转的尖头镐形截齿，与老式镐形截齿比拟，这种新型截齿尤其扎实耐用，且能本身扭转，实践的截齿消磨比老式镐形截齿消重约80%[10]。

　　(5)第5阶段：操纵大截深刀型截齿。2003年，英国海德拉(Hydra)公司推出大截深刀型截齿，可与镐型截齿换取装配，割煤深度从100 mm普及到130 mm；2005年，这类截齿正在澳大利亚贝尔塔纳( Beltana)煤矿试用，不但普及了牵引速率并且消重了管事面粉尘量，同时还冲破了该矿煤炭产量记录，到2008年，澳大利亚30%的煤矿改用大截深刀形截齿[11]。

　　1966年，我国自帮研造的MLQ1-80型采煤机采用幼镐形截齿。1978年，平岗煤矿截齿厂策画出PG1新型刀齿，如图13(a)所示，截齿消磨量消重60%～90%。1975年，国产MD-150型采煤机采用圆锥形截齿。1982年，无锡采煤呆板厂研造出DY-150型采用径向刀齿。1987年，上海煤矿呆板咨询所研造了QJB型径向刀齿，如图13(b)所示，正在晋城矿务局王台铺矿和大同矿务局忻州窑矿实行了工业性试验，截割功率低重17%～22%，粉尘浓度低重17%～30%，块煤率普及5.3%～7.3%

　　采煤机恒久处于重载、振动、攻击、6686体育摩擦和介质侵蚀等工况条目下管事，磨耗损效题目越焦心急，截齿正在截割煤岩时还要接受高剪应力和强攻击负荷，会变成截齿过载而断裂

　　。某矿务局的年消磨截齿高达80万个，此中磨耗损效占80%～95%，断裂失效占5%～20%。某矿每年采煤机、掘进机磨损修茸和耗材用度约为0.5元/t煤，以此测算，2004年世界采掘呆板磨耗损效导致的用度近10亿元，因而耐磨性是采煤机质地的厉重显露

　　。3.1 硬质合金截齿18世纪中期，人为采煤操纵碳素东西钢创造的钢钎，拥有肯定的硬度。1865年，英国人罗伯特·穆希特(Robert Mushet)创造晰合金东西钢，成为其后截煤机截齿质料。1907年，美国人爱乌德·海恩斯(Elwood Hayness)创造晰含25%铬的司太立(Stellite)合金钢，使质料硬度明显普及。1923年，德国人卡尔·施罗特(Karl Schroter)创造晰粉末冶金法临盆WC-Co硬质合金设施，1931年德国克虏伯公司临盆出WC-TiC-Co合金钢。硬质合金质料分为5类，即WC-Co合金，WC-TiC-Co合金，WC-TiC-TaC(NbC)-Co合金，钢结硬质合金，碳化钛基合金。硬质合金拥有高耐磨强度，被称为工业的“牙齿”，正在金属基体上镶嵌或焊接硬质合金刀齿，齿柄材质为30CrMnTi、30CrMnSi、34MnCrB

　　硬质合金截齿是第1代耐磨截齿。20世纪30年代初，苏联研造了一种韧性较好、含钴12%～15%的硬质合金截齿，获胜用于截割中等硬度以上的煤岩。1938年，美国肯纳(Kennametal，KMT)公司创立，持有WC-TiC-Co硬质合金创造专利，专以粉末冶金设施创造机床刀具、地质钻头、截齿、采煤机滚筒等。1945年，苏联研发出波别吉特硬质合金，此中的РЭ-6和РЭ-8两种合金被用于创造耐磨齿头，分为圆柱状、圆锥状和片状3种地势。高尔洛夫斯基工场创造出“莫斯科”截齿，齿身是合金钢，齿头为直径10 mm、长度20 mm的РЭ-6或РЭ-8硬质合金齿头。1946年，苏联红光工场临盆出КМЭ-1型硬质合金截齿，如图14(a)所示，齿身由Y-7碳素钢造成，镶装厚6 mm、长16 mm的波别吉特硬质合金齿片。1948年，戈比伊斯科工场创造出“乌拉尔”截齿，如图14(b)所示，齿身由30ХГС、35ХГС钢创造，装有厚10 mm、长20 mm的ВК-10或ВК-8硬质合金齿片。20世纪40年代末期，苏联顿巴斯矿区操纵含镍、铬、钨的合金钢创造截齿。

　　20世纪80年代以前，海表采煤机截齿的齿尖质料重倘若钨钴类硬质合金，齿体是低镍合金钢；90年代中期，海表齿体质料采用中碳优质合金钢，我国重要以35CrMnSi、30CrMnSi、40Cr等合金钢为主[17]；90年代末期，我国粹者研发出新型高硅低碳空冷贝氏体钢，获胜用于创造齿体，使万吨截齿消磨量比35CrMnSi齿体消重了8.8%

　　21世纪以后，为了普及截齿正在割煤历程中接受轮回攻击载荷和摩擦热效应力的技能，截齿硬质合金趋势于消重Co含量、增大WC晶粒度，以同时普及断裂韧性及抗热疲乏职能，晶粒度大于5 μm的超粗晶粒硬质合金成为耐磨截齿质料的起色目标。美国肯纳公司、英国海德拉公司、瑞典山特维克公司创造截齿选用WC-Co合金质料，WC均匀晶粒度为5～6 μm，孔隙度为A02B00C00。国内临盆超粗晶粒合金截齿合金的企业重要有姑苏新锐、厦门春保、金鹭、浙江东钨等，姑苏新锐公司拓荒了JZ10CC、XR12CC和CC13超粗晶粒硬质合金，晶粒度为5～7 μm，硬度可达86 HRA

　　W4C，2～5 nm)的马斯特(Master)超粗晶粒钨钴合金，正在道面铣刨机进取行了截齿磨损实测，马斯特截齿的耐磨寿命约莫是常例截齿的3倍，目前这种截齿已用于采煤机滚筒[19]。梯度组织硬质合金是一种新型耐磨硬质合金质料。6686体育1986年，山特维克公司研造出一种双相组织梯度硬质合金质料，简称DP(Dual Phase)合金，这种合金的表层含钴3%，中央层含钴约10%，中央层含钴6%，采用梯度合金创造凿岩球齿的操纵寿命比守旧硬质合金普及了3倍，钻进速率普及23%，该公司临盆了DP55、DP60和DP65 3种用于凿岩刀具的梯度硬质合金质料[20]。渗碳法是现在较为成熟的WC-C梯度合金造备设施，通过渗碳使合金中的钴相分散呈梯度变革，使其最表层和中央层均为WC+Co两相构造，内层为WC+Co+η三相构造

　　。2015年，宁波重石硬质合金有限公司造成梯度硬质合金截齿，装正在凿岩开沟机上截割硬度为f15的岩石，梯度合金截齿损耗量与平常硬质合金齿比拟删除约36%[22]。3.2 复合耐磨截齿超硬质料复合截齿是第2代耐磨截齿，常用于镐形截齿，其组织如图16所示。这种截齿既有超硬齿尖与齿体的复合组织，也有齿尖、齿体、齿柄表面的复合耐磨层，可有用普及截齿的完全耐磨寿命。超硬质料复合截齿分为镀膜型、烧结型、焊接型等，正在煤矿利用最多的是焊接型复合截齿。

　　1966年，国产MLQ1-80型采煤机操纵了复合耐磨镐形截齿，齿尖质料为YG-8、YG-8C或YG-11C硬质合金，齿肉体料为35CrMnSiA、35CrMnV合金钢或45碳钢，齿身端部表观面为堆焊碳化物耐磨层，以维护齿身删除磨损。1976年，国产MLS3-170型采煤机先采用刀形扁齿，其晚辈修西德EDW-170型采煤机，改用硬质合金柱齿的复合截齿。1992年，哈尔滨焊接咨询所研造获胜哈焊170-1型复合型耐磨截齿，正在鹤岗、鸡西、开滦矿务局的井下试验讲明，操纵寿命比其他类型截齿普及1倍以上

　　正在截齿表面造备一层抗磨损硬质薄膜，以普及截齿耐磨性，重要有化学气相重积(CVD)法和物理气相重积(PVD)法。化学气相重积本事始于1890年，20世纪50年代成为硬质合金涂层的贸易化设施。1969年，瑞典好笑满(Coromant)公司推出气相重积TiC涂层的硬质合金刀具。以CVD造备耐磨刀具或耐磨截齿涂层重要有TiC、TiN、硬齿HfN、DLC(类金刚石)单层膜和TiC-TiN、TiC-TiCN-TiN多层膜

　　物理气相重积本事正在真空条目下以电弧放电使靶材蒸发物质及反响物重积到工件表面上，变成微米级厚度的表面镀层，重要设施有真空蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀膜。1963年，美国人马托克(D M Mattox)研造获胜真空离子镀本事，用于人造卫星的耐磨零部件。早期的PVD耐磨涂层是TiN膜，其后起色出TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和TaC等多元复合膜。中科院宁波质料所造备出厚度抵达100 μm的CrN等耐磨镀膜，使PVD耐磨涂层厚度迈入亚毫米级，为普及截齿耐磨性启迪了新途径。3.2.2 烧结孕镶截齿

　　金刚石孕镶截齿是一种采用钢体齿身和金刚石齿头混料，通过粉末冶金设施热压烧结造成的耐磨截齿，耐磨性比硬质合金截齿大幅度普及。

　　孕镶金刚石截齿最早用于岩层钻机，1862年瑞士人莱斯霍特(G A Leschot)第1次操纵镶有金刚石的管子钻取柱状岩心。20世纪60年代末，瑞典最先研造获胜金刚石钻头的岩心钻机。70年代中期，英国范摩普斯(Vanmoppes)公司用人造金刚石创造出孕镶钻头，孕镶钻头的金刚石层厚为5.5 mm、3.5 mm

　　。1970年，北京探矿工程咨询所与上海砂轮厂连合研发人造金刚石钻头，1974年创造出第1批人造金刚石孕镶钻头，河南省地质局三队实行了石英岩层钻进试验，最高进尺抵达80.12 m，最高时效为2.2 m/h

　　。2010年，张绍和等人创造晰一种孕镶金刚石采煤截齿，齿头与齿身通过粉末冶金热压烧结成一体，普及了截齿耐磨性，删除了截齿折断与零落的几率[28]。3.2.3 焊接复合截齿焊接复合的耐磨截齿是加热熔融超硬质料粉末，正在截齿表面焊接熔覆一个微米级厚度的耐磨涂层，重要设施有堆焊、钎焊、激光熔覆、等离子熔覆等。

　　(1)堆焊截齿。硬齿堆焊是一种守旧的抗磨本事，以焊接方法对金属零件表面实行耐磨性改质，堆敷一层或几层耐磨质料变成耐磨截齿。

　　1887年，俄国人别纳尔多斯创造碳极电弧焊钳，20世纪初利用碳极电弧焊实行了生铁粉堆焊耐磨层。1930年，苏联史米奸细厂的工程师创造晰斯达里尼特硬质合金(18% Cr、10% C、15% Mn、2% Si、55% Fe)粉末，用于截齿上堆焊4～5 mm耐磨层，正在1941年之前，这种本事广博用于苏联的截煤机截齿耐磨照料。1943年，布·姆·康托洛夫创作了T-1号合金粉末，临盆T-140、T-145、T-268、T-295、T-590等型号的耐磨焊条，用于截齿耐磨层堆焊

　　，T-590耐磨焊条遍及用于连合采煤机截齿，焊条组分为90%铬铁粉、5%碳化硼或铬化硼、5%石墨粉，用水玻璃举动粘结剂

　　。1956年，合肥矿业学院实行了T-590焊条堆焊试验，使截齿表面硬度从37～40HRC普及到56HRC[30]。1974年，T-590耐磨焊条被用于采煤机损坏截齿修复，耐磨寿命比原装的13Mn截齿普及1倍以上。硬齿1980年，煤炭部临盆司正在赴英国审核之后激动哈尔滨焊接咨询所拓荒出低碳高铬含硼耐磨合金粉块，用于采煤机滚筒和刮板机溜槽堆焊耐磨层，操纵寿命普及了2倍。2000年自此，截齿堆焊耐磨本事成熟并出手工业化利用，样板的堆焊质料有ZDY60、D317、D327、ZD5、Ni60+WC、Ni60A等。2008年，某矿正在MGTY300/700型采煤机装配了堆焊加强U92截齿，每万吨产煤消磨截齿约5.3把，而未堆焊截齿消磨13.3把，耐磨性普及约2.5倍

　　。(2)钎焊截齿。把低于截齿熔点的钎料填充到超硬齿尖与合金齿体之间缝隙，完全加热到钎料熔化后，液态钎料填充缝隙而变成耐磨截齿。钎焊是人类最早操纵的质料接连设施之一，正在铜器时期人类就创造晰用钎焊来接连金银铜器。20世纪50年代，瑞典山特维克公司采用钎焊本事创造出长达9 m的井下钻深孔炮眼的柔性钎杆。1955年，上海东西厂采用高频钎焊设施临盆硬质合金镶片刀具。1964年，鸡西机电厂立异盐浴浸铜焊工艺来普及采煤机刀形截齿的硬质合金刀片钎焊质地，使钎焊效力普及2～3倍

　　。1983年，湖南煤炭科学咨询所研造出钎焊硬质合金的镐形截齿，用粉末冶金工艺造成一种无钴硬质合金齿尖，齿体质料是40Cr钢，钎焊采用105锰黄铜钎料

　　。2018年，郑州呆板咨询所研造出Cu-Zn-Ni-Mn纽扣型钎料，把镐形截齿的42CrMo钢齿体与YG8硬质合金齿尖实行钎焊，钎焊接头抗剪强度抵达260 MPa以上[34]。其它，国内学者研发出钎焊立方氮化硼超硬齿尖的耐磨截齿，并用高频感觉熔覆工艺正在截齿本体的前端表面熔覆一层耐磨层，也有学者研发出金刚石复合粉正在齿尖表面的钎焊工艺，造成金刚石涂覆的超硬截齿，耐磨寿命是无涂层截齿的2～3倍[35]。(3)激光熔覆截齿。激光熔覆是诈骗激光束对金属表面及笼罩合金粉末同时熔化，并以极高冷却速率神速凝结，实行涂层与金属基体的冶金联合，从而使金属表面拥有优越的耐磨职能。1974年，法国人加纳穆图(D S Gnanamuthu)创造晰金属基体上的激光熔覆设施，开启了激光熔覆耐磨本事。1979年，日本日立公司公然了激光熔覆普及汽轮机叶片抗汽蚀职能的专利。2014年，苏伦昌等研造出FeCrSiBC铁系合金为基体、增加肯定量Ti、W、Mo等元素的耐磨合金粉体，正在42CrMo截齿上造备激光熔覆耐磨涂层，使齿尖耐磨寿命普及1.8倍，齿体耐磨寿命普及3倍

　　(4)等离子熔覆截齿。等离子束熔覆(冶金)是以等离子弧为热源，实行涂层与金属基体的冶金联合，正在金属基体表面获取一层平均致密、联合坚韧的耐磨涂层。1967年，苏联巴东焊接咨询所创造晰换取等离子焊接修立。我国成都电焊机咨询所先后正在1970年、1975年和1977年研造出LH-10、LH-30、LH-16型微束等离子弧焊机。1979年，西德格里斯海姆公司研造成幼功率微束等离子焊机。21世纪初，山东科技大学金纳等离子科技有限公司研造出DRF-1型等离子束熔覆数控机床，选用Ni60A、FeCr67C6及铁基合金粉末对截齿实行等离子束熔覆加强，正在兖州矿业集团鲍店煤矿实行了工业性试验，操纵寿命比平常截齿伸长约40%

　　。2009年，陈颢等人研造出铁基合金粉末(3%～4.5% C，35% Cr，5% Ni，4.5% Si，0.4% B)，正在镐形截齿齿头离子束熔覆了厚度为3 mm支配的耐磨涂层，井下试用截齿的耐磨寿命普及2倍以上

　　。3.3 聚晶金刚石截齿聚晶超硬质料截齿是第3代截齿，它是由1种或2种超硬质料附加粘接剂，经超高压高温烧结造备的完全耐磨截齿。超硬质料可用金刚石聚晶、立方氮化硼聚晶或金刚石与立方氮化硼夹杂聚晶。聚晶金刚石(PCD)的组织与自然金刚石好似，拥有很好的韧性。1953年，瑞典通用电机公司(ASEA)初次合成出人造金刚石。1957年，美国通用电气公司采用高温高压设施临盆出第1批工业用人造金刚石幼晶体，1963年研造出MBS系列人造金刚石，1973年研造出康帕克斯(Compax)聚晶金刚石刀片，从此PCD刀具正在美国出手利用，1976年研造出适合钻进岩石用的斯特拉塔帕克斯(Stratapax)聚晶金刚石刀片

　　1963年，我国采用两面顶超高压力安装创造出第1颗人造金刚石；1966年，六面顶超高压机研造获胜，当年临盆出1万克拉人造金刚石，1983年我国人造金刚石临盆技能跨越1000万克拉；1969年，北京地质所与首钢勘测队、北京粉末所等单元连合研造人造金刚石钻头，1970年首批人造金刚石钻头发展试验；20世纪70年代中期，多晶金刚石钻头正在地质勘测中试用，成功油田最先将多晶金刚石创造刮刀钻头[40]。

　　热安闲聚晶金刚石采用微米级的单晶金刚石烧结而成，正在超高温高压下直接烧结。2004年，澳大利亚联国科学院研造出热安闲聚晶金刚石(TSDC)截齿，比较实行讲明，TSDC截齿的切割职能比WC硬质合金截齿永诀超过3.5倍(切割砂岩)和150倍(切割花岗岩)[41]。

　　1987年，美国人特雷西·霍尔(Tracy Hall)正在梅加金刚石(Mega Diamond)公司研造出金刚石加强柱齿，正在1450℃高温和6000 MPa高压下，烧结出复合多层聚晶金刚石包覆的碳化钨柱齿。2008年，美国人迈克尔·奥尼尔(Michael ONeill)创造晰一种实用于采煤机的自锐型金刚石截齿，将金刚石齿尖做成楔形或者圆锥形，齿尖四周用一层或者多层硬质合金质料包裹维护[28]。2008年，周志平等人创造晰一种高耐磨金刚石复合截齿，如图17所示，正在锥形齿体表观面电镀厚度为0.6 mm的金刚石层，正在齿尖表面造备聚晶金刚石层，从而大幅度普及了齿柄端头的耐磨性，操纵寿命比硬质合金普及了10～20倍

　　。2009年，美国人大卫·霍尔(David R Hall)创造晰一种既拥有高抗攻击职能又拥有热安闲性的聚晶金刚石镐形齿尖。2017年，卢灿华等人采用纳米联合剂梯渡过渡层接连本事，正在六面顶压机上合成道面铣刨机用聚晶金刚石截齿头，抗攻击韧性高达1220 J/cm2，截齿正在铣刨沥青混凝土道面时的耐磨寿命是硬质合金截齿的6倍[43]。1-齿体;2-硬质合金基体;3-金刚石电镀层;4-聚晶金刚石齿头

　　采煤机滚筒正在割煤历程中接受落煤的攻击和挤压影响，磨损题目万分非常，办理这个题宗旨重要途径是挑选耐磨铸钢质料，完全锻造出耐磨滚筒壳体。过去很长时期，德国艾柯夫公司和美国久益公司创造的采煤机滚筒壳体的强度和韧性都优于国产滚筒，耐磨寿命比力长。西安煤机厂对ZG25MnF8滚筒壳体质料实行了微合金化改善及细化晶粒度照料，普及了铸钢壳体质料的力学职能。国表里滚筒质料的化学因素比力如表1所示，始末改革，国产滚筒壳体质料服从强度可达810～835 MPa，抗拉强度为1010～1021 MPa，耐磨职能切近海表优秀水准。

　　煤尘浓渡过高将急急影响矿工健壮，也是煤尘火警和爆炸事件的重要根基。西德曾对13个煤矿1800名井下工人的管事境况和身体状态实行过跟踪统计，结果讲明，矿工尘肺病的发病来由与其正在管事面的呼吸性粉尘量亲昵联系，惹起尘肺重倘若5 μm以下的呼吸性粉尘。矿工吸入煤尘累计值对尘肺发病率的影响如图18所示[45]。早正在1970年，英国轨则长壁管事面粉尘浓度应幼于8 mg/m

　　。1974年，西德对井下管事住址氛围中容许的细粉尘浓度同意厉刻条件，正在石英含量低于5%的管事面，容许粉尘浓度为4 mg/m3；正在石英含量高于5%的管事面，容许粉尘浓度为0.15 mg/m3。这些控尘条件激动了采煤机抑尘本事改革，采煤机控尘途径重倘若截割工艺减尘、滚筒喷雾降尘、吸尘滚筒除尘。图18 矿工尘肺病率与吸入粉尘量合系性

　　删除落煤二次粉碎是消重综采管事面粉尘量的有用设施，因而改革采煤机组织或转换截割工艺是厉重的防尘手段。美国粹者咨询展现，硬齿滚筒截齿的前角、后角和刃角对煤尘爆发强度有很大影响，普及牵引速率可能消重煤尘爆发强度，由此发起截齿的间隔角为5°，截齿最佳倾角为30°，截齿切割速率幼于3.5 m/s。假如滚筒螺线间距比截深大一倍，截齿数删除20%～30%，可明显消重含尘量。美国煤矿试验表明，加大采煤机截割深度和消重滚筒转速有利于删除粉尘爆发量，采煤机滚筒转速从70 r/min降到35 r/min，并使截深增大1倍，粉尘爆发量可删除60%，切割深度和截齿速率对粉尘量的影响如图19所示

　　4.2 滚筒喷雾降尘正在采煤机截割滚筒四周喷射水雾，有帮于煤粉神速集聚成团，能赢得明显的降尘成果。最早研发的是滚筒喷射泡沫降尘本事，1957年美国矿山保安用品公司(MSA)操纵表面活性剂低倍数泡沫抑尘设施，1968年研发出采煤机高倍数泡沫抑尘本事。1963年，苏联正在顿巴斯西南1号矿井的УКТ-2М型连合采煤机上操纵泡沫降尘安装，1971年正在1К-101型和2К-52型采煤机上装配了泡沫降尘安装。1969年，美国矿业局委托孟山都公司(Monsanto Company)和代顿(Dayton)实行室研发泡沫除尘本事，1983年泡沫除尘体例先后正在西弗吉尼亚州和犹他州的两个长壁管事面实行了井下试验。1973年，日本将吸气式泡沫爆发器装配正在采煤机摇臂的千斤顶箱上，喷射泡沫间隔为2 m支配

　　图19 采煤机截割参数对煤尘浓度影响弧线年，我国煤科院上海咨询所出手咨询泡沫除尘本事。1986年，湖北省劳保所出手咨询凿岩机泡沫除尘本事，研发的泡沫除尘器正在五台煤矿和武钢程潮铁矿的凿岩管事面实行了现场试验，赢得优越成果。

　　正在截割滚筒落煤时，分表是同时切割岩石的情景下，会爆发高浓度的细粉尘，创立表里喷雾体例可使粉尘浓度大幅度低重。内喷雾是通过装配截割滚筒上的喷嘴直接向截齿的切割点喷射水雾，实行“湿式截割”，以避免摩擦火花和欺压粉尘。表喷雾是从截割部、摇臂或挡煤板喷出水雾来笼罩尘源，使粉尘潮湿重降。试验讲明，最有用的降尘手段是内喷雾，其次是表喷雾。1971年，英国粹者提出截割煤层时喷洒水雾，可能欺压煤尘燃爆事件，英国矿山平和咨询所对此实行了体例试验。1972年，英国安德森公司创造的AM500采煤机滚筒上装配了表里喷雾体例和文丘里降尘体例。1976年久益公司临盆的1LS采煤机把冷却喷雾水流经滚筒轴心孔到螺旋叶片表缘弯管上的喷嘴实行齿面喷雾灭尘。1978年，美国研发出被称为“采煤机除尘器”的喷雾安装，正在采煤机四周爆发强健的交叉气流，有用阻难尘云扩散，使采煤机司机四周的粉尘浓度消重50%～60%，再配合表喷雾体例，管事面降尘率可达70%～80%，到1982年，美国煤矿已有24个管事面采用了“采煤机除尘器”。美国矿业局发展了多种喷嘴降尘职能试验，如图20所示，从中可见雾化喷嘴的降尘成果最好，但这种喷嘴存正在易损坏、易窒碍的题目，范围了正在井下增添操纵

　　。英国艾克(Aco)公司研造了多种型式的内喷雾截齿，截齿体内有水道和内喷雾孔，喷雾水流经截齿体后再从截齿端部喷射出去，普及了灭尘成果，删除了喷雾用水量，也消重了商品煤含水量。

　　1977年，无锡煤机厂研造出XPB型喷雾灭尘泵站，如图22所示，它是我国创造的第1台综采呆板化喷雾灭尘泵站。1978年，煤炭咨询院上海咨询所研发出PU型采煤机滚筒表喷雾器，正在大同矿务局一矿和三矿试用，采煤机司机位子和采煤机后15 m处的煤尘浓度永诀消重78%和65%。1979年5月，PUN型引射式喷嘴正在徐州矿务局权台煤矿3111管事面的苏造КШТКГ型双滚筒采煤机进取行试验，采煤机司机位子和采煤机后15 m处的煤尘浓度消重了55%和58%，比原苏联机组的降尘成果普及了7%支配[50-51]

　　。这种吸尘滚筒既能有用把持煤尘，又把豪爽稀罕风致风骚吸向截煤区，实行了消重煤尘和甲烷浓度一体化把持。到1990年，英国煤矿操纵约900台海德拉吸尘滚筒。2000年，徐州矿务局也研造出吸尘滚筒，正在旗山矿13202管事面的4MG-200W采煤机进取行试验，采煤机回风侧5 m处的粉尘从280 mg/m

　　3降至15 mg/m3，降尘率为91.8%[53]。1989年，西德沃尔沙姆煤矿(Walsum)试造一种拥有煤尘罗致性能的指数弧线(b)所示，滚筒内侧平均分散5个吸尘槽，每个吸尘槽有2个向内喷嘴，喷出11 MPa的高压水流而使吸尘槽内爆发负压，能以2 m3/s流量吸入滚筒表的粉尘，并被喷雾流喷湿重淀，变成煤泥浆流向刮板输送机，这种设施可获取25%～50%的降尘成果[54]。

　　1-轮回水管;2-摇臂;3-通向吸尘槽的水管;4-通向滚筒喷嘴的水管;5-挡煤板;6-吸尘槽;7-喷嘴图23 吸尘滚筒组织示意

　　截割组织是采煤机高效切削煤层的“牙齿”，应具备高截割性、高牢靠性、高智能性。始末100多年的起色，截齿滚筒已成为采煤机截割机构的主流构型，截齿重倘若耐磨齿体复合超强齿尖的刀形截齿或镐形截齿，割煤降尘重要采用表喷雾和二次负压连合降尘本事。从仿生学角度看，采煤机截割机构拥有了动物利爪发掘性能的形状仿生，但智能仿生还需求长远咨询。

　　老虎的杀伤力除了源自其强健发生力和神速攻击力，还要依附其优异军械，即犀利的牙齿和可伸缩的尖爪。虎爪的肌腱调控机造如图24(a)所示，正在伸肌和屈肌配合把持下，尖爪可能自正在伸缩。老手走或驰骋时，尖爪能屈缩到骨质爪鞘中，避免磨损，变成更大的接触面积。正在捕猎食品时，尖爪蔓延出来，犀利的虎爪正在老虎前肢极强的掌力动摇下，对猎物爆发致命的袭击。这种机构正在发掘机策画中获得富裕使用，宛若虎爪的挖斗也许实行机动的把持。但正在采煤机截割机构中尚未获得富裕显露，截齿的扭转截割效仿了虎爪的扑杀运动，而截齿的发生攻击力发扬的不富裕。其它，老虎正在扑杀历程中，虎爪爆发向表的扯破影响力，使撕碎食品尤其高效，这是采煤机截割机构需求仿生的症结点，若截齿具备这种技能，就能诈骗脆性煤层抗拉强度弱的特征，爆发刺入煤层攻击粉碎与撕扯煤层裂碎的连合落煤成果，使煤层截割尤其高效节能。

　　[1] 海因茨·孔德尔，天孙俊，蔡尔嵩.采煤呆板化手册[M].北京：煤炭工业出书社, 1982.

　　[3] 编写组.海表煤矿采掘呆板图册[M].北京：燃料化学工业出书社, 1973.

　　葛世荣(1963-), 男, 汉族, 浙江天台人，讲授，中国矿业大学(北京)校长，从事智能采矿装置、摩擦牢靠性工程咨询。曾荣获“国度卓越青年科学基金” 资帮，获取“中国青年科技奖”、“国度有非常功劳的中青年本事专家”、“世界良好科技管事家”、“何梁何利基金科技发展奖”、“宇宙能源论坛本事立异奖”、“孙越崎能源科技大奖”和“第二届世界立异抢先奖状”。 E-mail: .cn。