煤礦機(jī)械磨損失效及表面改性技術(shù)研究

曹振華

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)計(jì)院， 山西 介休 032000）

1 煤礦設(shè)備失效分析

煤礦開采設(shè)備所處環(huán)境較為惡劣，經(jīng)常會在潮濕、腐蝕的環(huán)境中作業(yè)，且開采期間，煤礦機(jī)電設(shè)備表面還會承受不同程度的重載沖擊與嚴(yán)重摩擦。加之煤礦設(shè)備體積較大，以致得不到及時保養(yǎng)，各個運(yùn)轉(zhuǎn)部件也沒有得到有效潤滑，久而久之，機(jī)械設(shè)備便會出現(xiàn)磨損、腐蝕等問題，從而導(dǎo)致失效[1]。

1.1 截齒失效

采煤機(jī)截割煤層的關(guān)鍵零件便是截齒，其也是開采期間消耗量最大的零件，會直接接觸煤層與巖石，因此很容易發(fā)生磨損問題。同時，在截割煤層過程中，截齒還會因摩擦產(chǎn)生高溫，加重磨損程度。

1.2 中部槽失效

運(yùn)輸期間，刮板運(yùn)輸機(jī)由于受煤塊以及巖石等顆粒沖擊的影響，中部槽很容易出現(xiàn)磨料磨損問題。同時，在綜采表面的運(yùn)行過程中，中部槽也會受到腐蝕液體以及氣體物質(zhì)的影響，從而造成腐蝕與磨損問題。

1.3 液壓支架立柱失效

在整個綜采過程中，液壓支架具備重要的支撐防護(hù)作用，且支柱也屬于關(guān)鍵的承載部件，由此看出，立柱直接影響著整個綜采作業(yè)的安全性。但由于井下具備較大濕度且存在較多的粉塵顆粒，這也使得液壓支架長期處于惡劣的酸堿環(huán)境中，從而使其表面極易出現(xiàn)劃痕與腐蝕問題，不但會影響液壓支架的舉升效果，甚至危及整個煤礦開采工作的安全性。

2 引起煤礦機(jī)械設(shè)備磨損失效的因素

在分析煤礦機(jī)械設(shè)備磨損失效原因時，不但應(yīng)對作業(yè)過程、現(xiàn)場環(huán)境、作業(yè)內(nèi)容以及后續(xù)保養(yǎng)等方面進(jìn)行考察，且還應(yīng)進(jìn)行理論分析，有效統(tǒng)計(jì)煤礦設(shè)備的磨損情況，評估企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，小型煤礦為了解決機(jī)械設(shè)備磨損失效問題需要投入千萬元資金，而大型煤礦甚至需要投資上億元。

煤礦開采可以分為露天開采以及礦井開采等方式，且多數(shù)采取井下開采方式。具體情況見表1。

表1 煤礦機(jī)械磨損失效情況

可見，相較礦井開采，露天開采的機(jī)械磨損失效情況較好。由于露天開采環(huán)境酸堿度比較適中，且地處開闊，因此后期維護(hù)更容易，降低了磨損程度[2]。

從地理方面看來，礦井下環(huán)境潮濕其溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外界，土壤的酸堿度較高。而多數(shù)煤礦機(jī)械設(shè)備由鋼、鐵等合金制成，在潮濕的酸堿環(huán)境下很容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得其表面受到腐蝕。更嚴(yán)重的是，機(jī)械設(shè)備必須依靠電力維持運(yùn)行，而大量的電流也會加重腐蝕程度，甚至機(jī)械內(nèi)部也會受到腐蝕。且上述作業(yè)需要每天重復(fù)，因此，此過程導(dǎo)致的磨損最為嚴(yán)重。

從開采過程看來，期間煤炭硬度會對機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生很大的損傷，且硬度越大，磨損越嚴(yán)重，甚至當(dāng)煤炭硬度超過標(biāo)準(zhǔn)值后，還會對機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生不可逆的損傷[3]。

3 煤礦機(jī)械表面改性技術(shù)

隨著工業(yè)的快速發(fā)展，表面改性技術(shù)已在煤礦機(jī)械設(shè)備以及產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級方面得到了廣泛采用，煤礦機(jī)械方面也開始引入更多的先進(jìn)技術(shù)。表面改性技術(shù)的應(yīng)用可以有效解決煤礦設(shè)備失效問題，不但提升了設(shè)備的整體運(yùn)輸性能，且還會節(jié)約原料，降低開采成本。

噴涂、焊絲堆焊以及鍍鉻等傳統(tǒng)的處理技術(shù)均屬于煤礦機(jī)械表面處理技術(shù)，但這些技術(shù)均不同程度存在缺陷。表面噴涂技術(shù)的操作流程較為簡單，但與機(jī)械設(shè)備表面屬于機(jī)械結(jié)合，強(qiáng)度較低，因此不能使用于重載荷、大沖擊以及潮濕腐蝕情況下的機(jī)械設(shè)備。鍍鉻工藝主要使用在液壓支架方面，其操作簡單，且成本較低，但實(shí)際使用時極易腐蝕，需要企業(yè)定期檢修，同時此技術(shù)使用期間還會出現(xiàn)嚴(yán)重污染環(huán)境的六價鉻，因此已被明令禁止。焊絲堆焊技術(shù)也較為簡單，但工作期間很容易出現(xiàn)氣孔以及焊渣等問題，因此不能大范圍使用至煤礦機(jī)械設(shè)備中。而當(dāng)前煤礦機(jī)械新型的表面改性技術(shù)主要包括等離子熔覆技術(shù)與激光熔覆技術(shù)。

3.1 等離子熔覆技術(shù)

等離子熔覆技術(shù)主要對設(shè)備表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，期間會使用等離子熱源方法以及熔覆材料。實(shí)際使用時，作業(yè)人員應(yīng)結(jié)合機(jī)械設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況選擇恰當(dāng)?shù)娜鄹膊牧希蕴嵘浔砻嫘阅堋?/p>

在處理截齒磨損嚴(yán)重的齒頭表面時，等離子熔覆強(qiáng)化處理技術(shù)主要利用高硬度、高耐磨性且含有碳化物硬質(zhì)顆粒的合金粉末進(jìn)行耐磨熔覆強(qiáng)化處理，以有效提升截齒表面的耐磨性，延長使用壽命，提高截齒采煤的截割效率。等離子耐磨熔覆層如圖1所示。

在處理中部槽易磨損部分時，應(yīng)使用高硬度、耐沖擊的耐磨合金粉末，利用等離子熔覆技術(shù)進(jìn)行耐磨強(qiáng)化處理，增強(qiáng)中部槽耐磨度，避免設(shè)備被磨損。同時，在等離子強(qiáng)化處理期間，一節(jié)中部槽相當(dāng)于以往兩節(jié)以上的中部槽，不但增加了采煤運(yùn)輸量，也延長了設(shè)備的使用時間，增大了煤炭的開采量。具體處理過程如圖2所示。

3.2 激光熔覆技術(shù)

激光熔覆技術(shù)屬于新型的表面改性技術(shù)，主要激光熔覆強(qiáng)化處理機(jī)械設(shè)備表面，期間會使用激光束技術(shù)以及激光熔覆材料。同時，在煤礦開采期間，此技術(shù)主要被用于改性液壓支架立柱的表面。在處理過程中，主要將高硬度、耐腐蝕且性能優(yōu)異的霧化合金粉末作為激光熔覆材料，并對設(shè)備立柱表面進(jìn)行改性。激光熔覆設(shè)備運(yùn)行期間不會出現(xiàn)氣孔，且其運(yùn)行穩(wěn)定不會產(chǎn)生有害物質(zhì)，屬于綠色環(huán)保的設(shè)備表面改性技術(shù)。除此之外，此技術(shù)可以完全替代傳統(tǒng)表面鍍鉻技術(shù)，提高機(jī)械設(shè)備的耐腐蝕以及耐磨損度，降低煤礦企業(yè)的維修成本。

圖1 截齒錐形齒頭表面等離子耐磨熔覆層

圖2 中部槽中板等離子熔覆耐磨強(qiáng)化處理

4 實(shí)際效益分析

由于井下環(huán)境的復(fù)雜性，實(shí)際開采期間，大量的機(jī)械設(shè)備均存在因磨損而報(bào)廢的問題，根本沒有達(dá)到既定的使用期限?？梢娔p問題造成機(jī)械設(shè)備的嚴(yán)重浪費(fèi)。而在煤礦開采行業(yè)中引入新型的表面改性技術(shù)可以有效緩解上述問題，且得到了機(jī)械設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的有效認(rèn)可。相較傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)而言，等離子熔覆技術(shù)和激光熔覆技術(shù)具備設(shè)備穩(wěn)定、表面性能穩(wěn)定、強(qiáng)化處理效果好以及熔覆效率高等優(yōu)勢，且高效環(huán)保，不會污染環(huán)境。同時，在煤礦機(jī)械設(shè)備改性期間采用新型的表面改性技術(shù)，還可以增強(qiáng)設(shè)備的耐磨度與抗腐蝕性，可為企業(yè)節(jié)省大量的新設(shè)備支出費(fèi)用。

5 結(jié)語

煤礦生產(chǎn)環(huán)境十分復(fù)雜，挖掘生產(chǎn)期間必須采用多種復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備，這也導(dǎo)致了機(jī)械失效形式的多樣化。而等離子熔覆技術(shù)以及激光熔覆技術(shù)可以有效改善煤礦機(jī)械設(shè)備的磨損問題，延長設(shè)備的使用壽命，是煤礦機(jī)械設(shè)備未來發(fā)展的必然趨勢。