刮板輸送機(jī)中板磨損性能的研究進(jìn)展

柴金榮 葉 磊 范興帥 孫帥輝 李國(guó)華

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083)

我國(guó)是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。富煤、貧油、少氣的能源稟賦決定了煤炭在我國(guó)一次能源消費(fèi)中占據(jù)重要地位。隨著煤礦的大型化、集約化和現(xiàn)代化發(fā)展，綜采技術(shù)成為煤礦現(xiàn)代化開(kāi)采的重要技術(shù)。綜采技術(shù)是集支護(hù)、采煤、裝載、運(yùn)輸?shù)葯C(jī)械化作業(yè)為一體的生產(chǎn)技術(shù)，刮板輸送機(jī)是綜采技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備。為了滿足大型高效集約化礦井的生產(chǎn)需求，需要刮板輸送機(jī)不斷向大運(yùn)量、長(zhǎng)運(yùn)距、大功率、長(zhǎng)壽命與高可靠性方向發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的刮板輸送機(jī)運(yùn)量達(dá)到4000 t/h，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度達(dá)到400 m。

刮板輸送機(jī)的發(fā)展需求對(duì)其關(guān)鍵零部件提出了更高的要求。中板是刮板輸送機(jī)的主要部件，占機(jī)器總重量的2/3。在刮板輸送機(jī)實(shí)際工作中，中板受力情況復(fù)雜，并發(fā)生多種形式的磨損，主要包括磨粒磨損，粘著磨損和腐蝕磨損等。惡劣的工作環(huán)境使中板產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損，因此中板成為影響刮板輸送機(jī)壽命的重要因素。

為了提高中板的使用壽命，滿足大運(yùn)量刮板輸送機(jī)的發(fā)展需要，相關(guān)研究人員在中板的材料、磨損評(píng)價(jià)方法以及表面強(qiáng)化技術(shù)等方面進(jìn)行了大量研究。本文將從上述3個(gè)方面對(duì)中板磨損的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并展望中板磨損的研究趨勢(shì)，為大運(yùn)量刮板輸送機(jī)的研發(fā)以及現(xiàn)有機(jī)型的改造升級(jí)提供參考。

1 中板材料研究現(xiàn)狀

中板材料最早使用的是16Mn合金鋼材料，過(guò)煤量平均為50～70萬(wàn)t。由于刮板輸送機(jī)設(shè)備發(fā)展的需要，引進(jìn)了具有高硬度且耐磨性較好的進(jìn)口耐磨鋼Hardox450和JFE EH500等材料，這些材料的應(yīng)用在一定程度上提高了刮板輸送機(jī)的使用壽命。

除合金鋼材料之外，一些學(xué)者還試圖采用其它材料來(lái)提高中板的耐磨性。劉鑒衛(wèi)選用球墨鑄鐵TNZ作為中板的材料，比16Mn的耐磨性提高了1.2倍；梁立勛用改性MC尼龍制成的SGW-40T中板，這種中板重量約為現(xiàn)用金屬中板的1/4且具有耐磨損和耐腐蝕等特點(diǎn)。但是，這些材料并沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。

2014年左右，一些學(xué)者將研究方向由中低合金馬貝相變強(qiáng)化型的耐磨鋼轉(zhuǎn)向中錳鋼(BTW)。中錳鋼中的Mn元素可以使鋼在室溫條件下較小沖擊載荷或接觸應(yīng)力下發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變。Wang Jian的研究結(jié)果表明，在低沖擊載荷下熱軋中錳鋼(Mn8)的沖擊磨損性能優(yōu)于高錳鋼(Mn13)；葛世榮的研究結(jié)果表明中錳鋼磨損表面硬化層厚度約為1000 μm，硬度為52HRC，表現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨強(qiáng)化效果。形變誘發(fā)馬氏體相變是中錳耐磨鋼強(qiáng)化主要原因之一。

中錳鋼比進(jìn)口耐磨鋼更經(jīng)濟(jì)，且耐磨性優(yōu)于Hardox450和NM360。BTW系列中錳鋼已在部分煤礦使用。實(shí)踐結(jié)果表明，BTW系列耐磨鋼在水峪煤礦、賀西煤礦、同發(fā)東周窯煤礦以及酸刺溝煤礦的使用壽命是NM360的4～5倍以及Hardox450的2倍，過(guò)煤量達(dá)到2000萬(wàn)t。

BTW系列中錳鋼的出現(xiàn)有望將刮板輸送機(jī)的過(guò)煤量從1000萬(wàn)t提高到2000萬(wàn)t，中錳鋼因其具有形變誘導(dǎo)強(qiáng)化的特性以及性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)，將成為中板的重要材料之一。高可靠性和高效率一直是機(jī)械設(shè)計(jì)追求的目標(biāo)，未來(lái)中板材料的開(kāi)發(fā)將會(huì)繼續(xù)向著抗磨、降低摩擦以及輕量化發(fā)展，從而提高設(shè)備效率和節(jié)約能源。

2 中板磨損評(píng)價(jià)研究現(xiàn)狀

刮板輸送機(jī)工作環(huán)境復(fù)雜，根據(jù)中板所處位置的不同，受力狀態(tài)也不同。在實(shí)際工作中，中板受礦石壓力、液壓支架的擠壓或液壓支架的拉力的作用，其磨損包括磨粒磨損、粘著磨損和腐蝕磨損等多種形式。近年來(lái)，為了更真實(shí)地模擬中板工作狀態(tài)下的磨損，找到更適合的磨損評(píng)價(jià)方法，相關(guān)研究人員對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行了較多磨損方面的試驗(yàn)研究，幾種代表性的評(píng)價(jià)方式分析如下：

(1)劉鳴放用ML-100銷(xiāo)盤(pán)型回轉(zhuǎn)式磨料磨損試驗(yàn)機(jī)，對(duì)16Mn和4種等離子熔覆層分別在壓力20 N下進(jìn)行磨粒磨損性能測(cè)試，用4種等離子熔覆層相對(duì)16Mn耐磨粒磨損性評(píng)價(jià)材料的耐磨性。試驗(yàn)結(jié)果表明，含硼量為4.5%時(shí)耐磨性最好，相對(duì)耐磨性是基材的5.4倍。這種方法只考察了材料受壓狀態(tài)下的磨粒磨損性能，可以說(shuō)明含硼量為4.5%的等離子熔覆層在受壓狀態(tài)下的磨粒磨損性能是這4種等離子熔覆層最好的，沒(méi)有考察其他磨損類(lèi)型的協(xié)同作用。

(2)史志遠(yuǎn)用MLS-225濕砂半自由磨料磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)NM400板材與不同配比的煤炭、矸石及水的混合物料組成的摩擦副在不同的接觸壓力下進(jìn)行磨料磨損試驗(yàn)。接觸壓力根據(jù)刮板輸送機(jī)常用運(yùn)料速度推算。這種試驗(yàn)方法模擬了磨料磨損和腐蝕磨損同時(shí)作用下材料的磨損狀態(tài)。試驗(yàn)中腐蝕環(huán)境和實(shí)際情況有所差別，并不能較好地模擬材料在井下腐蝕磨損的協(xié)同作用下的磨損。

(3)葛世榮用MLD-10型動(dòng)載磨料磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)中錳鋼BTW在不同沖擊力作用下進(jìn)行磨粒磨損試驗(yàn)，考察了中錳鋼BTW在有沖擊載荷作用時(shí)的磨粒磨損性能及自強(qiáng)化機(jī)理。這種試驗(yàn)方法是目前比較接近落煤區(qū)中板的磨損狀態(tài)的試驗(yàn)?zāi)M方法。

(4)喬燕芳用MMU-10G高溫端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)4種中板材料(作者在文中隱去了材料牌號(hào))進(jìn)行了高溫、高濕、高腐蝕環(huán)境下的磨粒磨損。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于腐蝕磨損的協(xié)同作用，材料在不同工況下表現(xiàn)出不同的磨損性能，在三體摩擦狀態(tài)下，國(guó)產(chǎn)新型耐磨鋼比進(jìn)口耐磨鋼耐磨，而在腐蝕和磨粒共同存在的狀態(tài)下，進(jìn)口耐磨鋼比國(guó)產(chǎn)新型耐磨鋼耐磨。但是試驗(yàn)中用的腐蝕液是NaCl溶液，與實(shí)際礦水不符，也沒(méi)有模擬沖擊力作用。

上述中板磨損試驗(yàn)方法受各自摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的限制，均不能完全模擬中板實(shí)際工作時(shí)的受力狀況及磨損形式。因此，需要研制適用于全面模擬中板磨損的多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。另外，還缺少對(duì)磨損過(guò)程的在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)的方法和專(zhuān)用設(shè)備。

3 中板表面強(qiáng)化技術(shù)研究現(xiàn)狀

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，相關(guān)專(zhuān)家在研制優(yōu)質(zhì)耐磨中板材料的同時(shí)還對(duì)中板進(jìn)行了表面強(qiáng)化技術(shù)的研究。對(duì)中板的表面強(qiáng)化主要是利用噴焊、堆焊等表面強(qiáng)化技術(shù)在中板表面涂覆一層耐磨合金材料，使中板使用壽命提高2～4倍；這種方法與使用優(yōu)質(zhì)耐磨鋼相比成本較低。

中板表面強(qiáng)化技術(shù)的研究主要從中板耐磨堆焊的設(shè)備、堆焊焊條以及堆焊工藝等方面進(jìn)行。鄭光海在16Mn表面感應(yīng)熔覆鎳基WC涂層，耐磨性較16Mn鋼板提高近4倍。劉鳴放采用自主研發(fā)的IGS-600型手持式等離子表面熔覆設(shè)備, 在中板表面熔覆高硼Fe-Cr合金層, 相對(duì)耐磨性是基材的5.4倍，煤礦井下使用壽命延長(zhǎng)了2～3倍；孫玉宗利用等離子熔覆強(qiáng)化技術(shù)對(duì)中板進(jìn)行強(qiáng)化，延長(zhǎng)使用壽命；遲利鋒提出中板磨損量較小時(shí)，可以對(duì)中板采用耐磨焊絲堆焊，同時(shí)對(duì)中板其他部位采用網(wǎng)格狀堆焊加強(qiáng)的方法修復(fù)，提高中板使用壽命，減少維修費(fèi)用，節(jié)約開(kāi)采成本；吳星在井下對(duì)工作面中板易磨損部位堆焊耐磨材料，使其恢復(fù)性能；張小鳳在神華寧煤集團(tuán)用斷續(xù)菱形花紋焊道技術(shù)工藝對(duì)下井的一部分刮板輸送機(jī)的中板進(jìn)行了耐磨強(qiáng)化，并在靈新煤礦進(jìn)行了一年多的對(duì)比試驗(yàn)。研究結(jié)果表明，堆焊后的中板使用壽命延長(zhǎng)了1倍以上；王春華研究了手工電弧焊堆焊電流對(duì)16Mn中板堆焊層組織和性能的影響；馬忠昌經(jīng)過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，研發(fā)一種含硼鈦鈣型藥皮交直流兩用的經(jīng)濟(jì)型耐磨焊條，堆焊層相對(duì)耐磨性是16Mn的近5倍。

表面強(qiáng)化技術(shù)因其較好的經(jīng)濟(jì)性，被廣大刮板輸送機(jī)生產(chǎn)企業(yè)使用，并被用于中板井下修復(fù)技術(shù)，在提高中板使用壽命、降低生產(chǎn)成本等方面，取得了較好的效果，但是強(qiáng)化后的中板使用壽命與高性能耐磨鋼還有一定差距。因此，需要研制出經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高性能耐磨合金焊條，并繼續(xù)探索中板強(qiáng)化工藝。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)中板材料從采用低合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn到進(jìn)口耐磨鋼Hardox450、JFE EH500等，再到新型國(guó)產(chǎn)BTW系列中錳鋼。過(guò)煤量從40萬(wàn)t提升到1000萬(wàn)t，BTW系列中錳鋼過(guò)煤量達(dá)到2000萬(wàn)t。目前對(duì)中錳鋼的耐磨耐蝕性能研究較少，特別是需要進(jìn)一步研究其腐蝕狀態(tài)下的耐磨性能。

(2)以往中板磨損評(píng)價(jià)方法試驗(yàn)研究均不能全面模擬中板實(shí)際工作時(shí)的受力狀況及磨損形式，并缺少磨損在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)方法及配套設(shè)備。因此，需要研制適用于全面模擬中板磨損試驗(yàn)的多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，以及在線監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)的方法及配套設(shè)備。

(3)表面強(qiáng)化技術(shù)具有較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，易于實(shí)現(xiàn)對(duì)中板的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，在一定程度上提高了中板的使用壽命，但是效果不如直接使用高性能耐磨鋼。因此，需要研制經(jīng)濟(jì)實(shí)用的高性能耐磨合金焊條，以及繼續(xù)探索中板強(qiáng)化工藝。