煤礦機(jī)械磨損失效問題的研究

張　佳

（西山煤電西曲礦排矸三隊(duì)， 山西　古交　030200）

引言

礦山機(jī)械當(dāng)中的各種設(shè)備包括：采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)上的截齒、齒座、截盤、滾筒，絞車、運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)上的齒輪，刮板運(yùn)輸機(jī)的中部槽、刮板、鏈條、鏈輪，煤車軸、皮帶托輥，提升鋼絲繩，液壓支架的閥門、缸體和柱塞，煤水泵、泥漿泵及其輸送管道，選煤廠的破碎機(jī)、溜煤槽、斗子鏈板、篩子板、挖掘機(jī)斗齒、裝巖機(jī)溜槽以及鋼軌、釬鋼，這些設(shè)備磨耗失效的速度和范圍是十分驚人的。據(jù)相關(guān)調(diào)查統(tǒng)計(jì)報(bào)告顯示，當(dāng)前全國(guó)煤礦系統(tǒng)因煤礦機(jī)械磨損失效問題而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失每年高達(dá)800億元以上，因此對(duì)其磨損失效問題及對(duì)策的研究有重要理論意義和現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1　煤礦機(jī)械磨損失效的原因

當(dāng)前煤礦開采主要是分露天開采與井下開采兩個(gè)大方向，一般井下開采的工作環(huán)境更加惡劣，其磨損失效問題更加嚴(yán)重。

1.1　露天開采機(jī)械的磨粒磨損機(jī)理

磨粒磨損的定義為硬質(zhì)顆粒與物體表面進(jìn)行摩擦從而導(dǎo)致在摩擦過程中硬質(zhì)顆粒的突出物對(duì)對(duì)方物體表面進(jìn)行了表面劃傷而導(dǎo)致的表層材料脫落的現(xiàn)象。在露天開采過程中，機(jī)械設(shè)備的上空彌漫著大量的煤粉磨料顆粒，在其雜亂無章的運(yùn)動(dòng)過程中就會(huì)形成磨粒磨損。磨粒磨損的因素較多，包括磨料的大小、形狀和硬度[2]，包括機(jī)械設(shè)備材料的表面硬度等因素。煤炭開采出來后不僅僅是具有碳元素，還有很多的硬物雜質(zhì)，其綜合的硬度很好。一般都需要先計(jì)算煤礦煤層的硬度，再去購買相匹配硬度的煤礦機(jī)械設(shè)備。對(duì)于煤層硬度大于4的煤層顆粒的硬度更高，其對(duì)割煤機(jī)的磨粒磨損情況就非常嚴(yán)重了。

1.2　井下開采機(jī)械的腐蝕磨損機(jī)理

煤礦井下工作環(huán)境比較惡劣，其空間的溫度非常高，濕度也大，化學(xué)酸堿度也高。采煤機(jī)械長(zhǎng)期處于這樣的環(huán)境當(dāng)中，非常容易發(fā)生相應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致機(jī)械受腐蝕，這樣的腐蝕機(jī)理叫腐蝕磨損。腐蝕磨損的反應(yīng)速度非?？?，機(jī)械設(shè)備極易處于不能正常工作的狀態(tài)。另外井下各設(shè)備都處于供電狀態(tài)下，電流的存在更加快了腐蝕磨損的速度[3]。

2　不同機(jī)械磨損失效的形式分析

2.1　采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的磨損

采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)是開采中的主要設(shè)備，其截齒是割煤的主要部件。截齒與煤層直接接觸發(fā)生相應(yīng)的摩擦實(shí)現(xiàn)其割煤的主要工作，從磨損形式上來看，其主要屬于摩擦磨損。當(dāng)煤層中存在著很硬的礦物時(shí)，這種磨損就會(huì)加劇，從而還會(huì)產(chǎn)生800℃的高溫。在這樣的狀態(tài)下截齒的磨損情況是非常嚴(yán)重的，有時(shí)甚至于會(huì)直接發(fā)生斷裂情況。采煤機(jī)與掘進(jìn)機(jī)當(dāng)中的滾筒磨損也是非常嚴(yán)重的，煤塊切割下來后需要沿著螺旋滾筒進(jìn)行軸向移動(dòng)，在這個(gè)過程中的摩擦非常大，其螺旋葉片可以從最新的25 mm磨損到1～2 mm。另外滾筒的端盤齒座與換刀孔的磨損也是非常容易被磨損的部位，每年因其磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失非常之大。

2.2　刮板輸送機(jī)的磨損

刮板輸送機(jī)使用鏈條拖動(dòng)原理實(shí)現(xiàn)其運(yùn)送煤炭的作用，另外它還是井下運(yùn)行軌道的必備設(shè)備。從刮板輸送機(jī)所處的工作環(huán)境來看，其主要是摩擦磨損與腐蝕磨損并存。刮板輸送機(jī)當(dāng)中的中部槽與鏈條是最容易被磨損的部位。根據(jù)其工作軌道發(fā)現(xiàn)中部槽在受到煤、刮板和鏈的作用下發(fā)生嚴(yán)重的磨損，另外其自身的鋪設(shè)角度的問題也加速了磨損的速度。刮板輸送機(jī)中的鏈條長(zhǎng)期磨損，容易發(fā)生直接斷鏈現(xiàn)象，這是其最主要的失效形式。鏈條與中部槽的摩擦接觸，鏈環(huán)之間的接觸，都會(huì)產(chǎn)生劇烈摩擦造成鏈條斷裂[4]。

2.3　礦井提升機(jī)的磨損

礦井提升機(jī)當(dāng)中容易磨損的部件主要是鋼絲繩與箕斗。鋼絲繩在工作過程中，其與滾筒天之間長(zhǎng)時(shí)間的摩擦加之出現(xiàn)的“咬繩”現(xiàn)象都使得鋼絲繩的磨損加劇。另外鋼絲繩還會(huì)由于張力的不平衡而導(dǎo)致的往復(fù)竄動(dòng)現(xiàn)象也會(huì)加速其他磨損?；吩谘b、運(yùn)、卸的途中由于直接多次摩擦也導(dǎo)致嚴(yán)重的磨粒磨損。另外箕斗在下井的途中，環(huán)境中的水和空氣會(huì)造成化學(xué)反應(yīng)從而發(fā)生化學(xué)腐蝕。再加上摩擦因素，其表面就非常容易脫落，長(zhǎng)期以往就會(huì)失效。

3　優(yōu)化煤礦機(jī)械磨損失效采用的對(duì)策

3.1　提高機(jī)械設(shè)備材料的硬度

露天開采機(jī)械的磨損形式主要是磨粒磨損，那么其主要的解決對(duì)策是提高機(jī)械設(shè)備材料的硬度來緩解其磨損。相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明[5]，當(dāng)金屬材料的硬度是與其發(fā)生摩擦的磨粒硬度的1.3倍以上時(shí)，金屬材料的耐磨性能性是比較好的，其使用的壽命也比較長(zhǎng)。邵荷生教授研究了煤做為磨料的磨損性能與材料硬度的關(guān)系，如圖1所示。

在機(jī)械設(shè)計(jì)階段，就需要考慮好金屬材料的選擇問題。還需要考慮到金屬材料的工作環(huán)境所造成的腐蝕磨損。另外對(duì)于大磨粒鑿削狀態(tài)下的磨損，還需要進(jìn)一步改善其表面的耐磨性。馮仕炎等人就采用最新的激光熔覆技術(shù)來改善金屬材料表面的耐磨性，其對(duì)45鋼材料的表面使用激光熔覆了Ni60+15%WC的合金粉末，其表面的硬度和耐磨性得到大大提高，基本上能滿足當(dāng)前的需要。

3.2　降低氧化磨損

井下的復(fù)雜環(huán)境要求其防范對(duì)策需要進(jìn)行全方位的考慮。對(duì)于機(jī)械的腐蝕磨損，其發(fā)生磨損的速度是由表面的氧化膜與基體金屬的結(jié)合能力，同時(shí)也由金屬表層的塑性變形能力所決定。降低氧化磨損的有效途徑是采用發(fā)藍(lán)、磷化、蒸汽處理、滲硫及有色金屬的氧化處理等。此外，提高基體表層硬度，增加表層塑性變形能力，也可減輕腐蝕磨損[6]。

圖1　材料硬度與磨損率的關(guān)系

3.3　制定機(jī)械設(shè)備管理制度

煤礦開采的工作環(huán)境決定了機(jī)械設(shè)備必定存在嚴(yán)重的磨損現(xiàn)象，那么就更需要做好機(jī)械設(shè)備的維護(hù)管理工作。在工作過程中，機(jī)械設(shè)備必須要按煤礦的工作制度嚴(yán)格規(guī)程，避免超速、超載情況的發(fā)生而導(dǎo)致更加嚴(yán)重的磨損。要定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)和維修，確保所有的設(shè)備都是在良好的狀態(tài)下工作。另外機(jī)械設(shè)備管理部門應(yīng)該從摩擦學(xué)及磨損機(jī)理的視角去了解和掌握相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，為解決機(jī)械的磨損失效問題提出相應(yīng)的建議供技術(shù)人員做相關(guān)的技術(shù)研究。做好機(jī)械設(shè)備的管理工作是當(dāng)前防止機(jī)械磨損失效問題的最簡(jiǎn)單和經(jīng)濟(jì)的一種途徑。

[1]龐英華.煤礦機(jī)械磨損失效問題的研究[J].山東煤炭科技，2017（6）：113-114.

[2]黎文強(qiáng)，馬宗彬，丁紫陽.煤礦機(jī)械磨損失效及表面改性技術(shù)的研究[J].煤礦機(jī)械，2017，38（7）：114-116.

[3]馮仕焱.煤礦機(jī)械磨損失效與激光熔覆研究[J].煤炭與化工，2015，38（6）：67-69.

[4]陳力捷.煤礦機(jī)械磨損失效分析和抗磨措施[J].煤炭技術(shù)，2011，30（6）：20-21.

[5]朱華，吳兆宏，李剛，等.煤礦機(jī)械磨損失效研究[J].煤炭學(xué)報(bào)，2006（3）：380-385.

[6]王丹.煤礦機(jī)械磨損失效問題探討[J].機(jī)械管理開發(fā)，2017（10）：24-25.