惠学齐，周柏峰，刘 振，周 莉

(1.陕西延长榆林可可盖煤业公司，陕西 榆林 719000；2.山西怀仁联顺玺达柴沟煤业有限公司，山西 怀仁 038300；3.泰伯克(天津)机械设备有限公司，天津 301712)

某选煤厂是一座设计能力为10.00 Mt/a的矿井型动力煤选煤厂，其煤质条件优越，含矸率低，但煤种硬度大、韧性高，矿井采用斜井开拓，盘区条带式开采，采用一次采全高采煤工艺，多数情况下原煤粒度较大。该厂在主运大巷输送机转载点安装了1台MMD706进口齿辊破碎机用于破碎工作面大块原煤。设备使用初期运转良好，但随着使用年限增加，设备磨损严重、性能降低，破碎粒度超限，设备维修量增加，由于进口设备备件的成本高、供货周期长，备件不能及时得到更换，制约了选煤厂生产能力的提高。

MMD706型分级破碎机采用齿帽结构，具有分级和破碎的双重功效，因具有整机高度低、成块率高、过粉碎低、单机处理能力大和破碎效率高等技术优势，在国内被推荐应用于煤炭、石灰石和铝土矿等中硬度以下物料的破碎[1-2]。齿辊工作部的结构形式主要有齿板式、齿靴式、齿帽式等结构形式。为了降低进口备件采购成本，各大集团与科研院所及企业合作进行破碎齿辊工作部国产化研制工作。齿板式和齿靴式破碎辊结构实现了良好应用，但齿帽式结构破碎辊工作部因齿帽与齿座复杂，曲面配合技术难以攻克，一直没有间断国产化工作的研究。该选煤厂与破碎机供货厂家针对MMD706分级破碎机齿帽进行了国产化升级研究，齿帽采用了TBM-I型强化技术，升级后的齿帽耐磨性和使用寿命得到显著提升。

1 升级前使用现状

该厂于2011年购入MMD706型齿帽式分级破碎机，用于大块原煤破碎，入料粒度小于500 mm，出料粒度小于300 mm，处理量为3 000 t/h。随着设备使用年限增加，出现如下问题。

(1)齿帽式分级破碎机的4个齿帽均布在一个圆周，齿帽见图1。齿座的齿头与齿帽配套装配，齿帽间由螺栓串联连接，当其中一个螺栓剪断，4个齿帽将会顺序从齿座脱落，通过齿辊间的空隙落入出料胶带，对出料胶带等其他设备产生损坏，存在严重安全隐患的同时带来经济损失。

图1 MMD706破碎机齿帽

(2)MMD706破碎机为进口设备，备件价格高，供货周期长，购买困难。齿帽的严重磨损以及破碎粒度超限等问题，给生产系统带来压力。

(3)齿帽磨损穿孔(见图2)，齿座随之磨损，因齿座短时间不具备更换条件，齿座与齿帽间间隙量变大。当大块物料进入后，螺栓易松动并在联接处剪断，加大了工作人员的维修量，同时带来安全隐患。

图2 进口齿帽磨损情况

2 MMD706齿辊破碎机结构及工作原理

MMD706型齿帽式分级破碎机主要由电机、耦合器、减速机、联轴器、破碎辊、侧梳齿、机架以及破碎梁等部件组成，采用单电机驱动。2个平行的破碎辊沿轴向分别布置了8个4齿齿帽组件，齿帽和齿座构成1组齿帽组件。

齿帽式分级破碎机主要利用剪切力作用于块煤上，兼并受到刺破和劈裂等作用实现破碎，充分利用了煤炭的强度特性(即抗压强度>抗剪强度>抗拉强度)[2]。破碎后的物料从齿间间隙漏下，部分粒度大的物料被破碎梁阻挡，随着齿与破碎梁的共同作用，大块物料被进一步破碎后强行排出[3]。

3 升级方案

3.1 齿帽曲面配合尺寸模拟优化

破碎齿座与齿帽复杂曲面配合的设计优化。传统齿帽研制多数停留在外形的仿制阶段，在齿座出现磨损的情况下，原有的曲面配合关系已经被破坏。齿帽在破碎工作过程中受到剪切力、挤压力和拉伸力的作用，结合齿帽实际工况，将3D扫描技术引用到设备研制过程中，采用Solid Works simulation进行有限元静态应力分析[4]，对齿帽进行数字模拟以及虚拟优化[5]。设计和优化齿帽与齿座复杂曲面的尺寸，对齿帽与齿座外圆结合部进行强化处理，减小集中应力，增强齿帽的耐磨性和使用寿命。

3.2 增强增韧技术研究

破碎部的耐磨性是破碎机的主要考核指标，目前破碎齿部的主要材料以高锰钢和低合金钢为主[6-7]。通常情况下，材料的耐磨性与材料的硬度有关，硬度高则耐磨性好，但随着硬度的提高，其韧性就会随之降低，齿帽容易发生断裂。通过研究分析碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、钼(Mo)对合金钢性能的影响，结果显示，随着C、Mn含量的增加，钢的硬度随之上升，但韧性随着C、Mn含量的增加而下降，Si、Mo含量对材质影响不明显。通过调节C、Si、Mn、Mo的比例，得到良好韧性和较高硬度的低合金钢[8-9]。

此外，依据分级破碎机的工况，齿帽不仅有接触磨损，还有冲击磨损，在齿帽两侧易磨损部位进行强化处理，增加耐磨性，延长齿帽的使用寿命。

3.3 联接部优化设计

MMD 706破碎机每组齿座对应4个齿帽，齿帽依靠连接螺栓前后串联，破碎机工作时，在动载荷强烈的震动和冲击力作用下，螺栓螺母易松动脱落。对连接螺栓进行非标设计，采用高强度螺栓以及放松螺母，同时为防止螺母松动进而造成螺栓脱落，对螺栓结构进行了优化设计，在适当位置增加止退销(见图3)，确保即使螺母松动脱落，螺栓不脱落。止退销选用42CrMo材质，以增加其韧性和强度，防止断裂。

图3 高强度螺栓结构优化

4 应用效果

MMD706型分级破碎机升级后，安装使用并进行了效果对比，安装位置位于齿帽受冲击力最大的入料口处，由TBM-1型强化齿帽替代原装进口齿帽4件，见图4。通过对后期使用情况进行跟踪，现场反馈齿帽与齿座安装和配合尺寸与进口设备原装齿帽相符，对比进口原装齿帽使用寿命6个月，TBM升级齿帽使用近12个月，使用寿命增加近一倍，基本达到了替代进口齿帽的使用标准。

图4 TBM-1强化升级齿帽应用现场

5 结 语

为适应选煤厂高效、低成本运行形势要求，针对齿帽式分级破碎机提出TBM-1升级技术，采用3D扫描，结合磨损数据，进行数据模拟、优化材料选择分析等，解决了曲面结合问题；通过对低合金钢元素组成分析，调整元素比例以达到满足韧性和强度需求；优化设计连接部结构，采用高强度螺栓、放松螺母以及增加止退销防止螺母松动等。齿帽的耐磨性和使用寿命得到显著提升，在满足现场生产需要前提下，提高了安全系数，带来了良好的经济效益。