礦用挖掘機(jī)鏟斗的磨損數(shù)值分析研究

張林軍

（山西宏廈第一建設(shè)有限責(zé)任公司， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

用于生產(chǎn)挖掘機(jī)鏟斗的材料強(qiáng)度很大，在挖掘時(shí)足以承受研磨作用發(fā)生。但是，在大多數(shù)情況下，發(fā)現(xiàn)在很長(zhǎng)一段時(shí)間后，磨損開(kāi)始在桶的整個(gè)表面?zhèn)鞑?。挖掘機(jī)鏟斗的磨損通常取決于研磨材料的性質(zhì)。在這些復(fù)雜的情況下，沒(méi)有任何事先的觀察和實(shí)驗(yàn)，很難預(yù)測(cè)挖掘機(jī)鏟斗的磨損率并可能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)造成觀測(cè)頻率不均勻的困難。

1 典型的無(wú)潤(rùn)滑干滑動(dòng)磨損

僅應(yīng)用較硬的材料不是來(lái)保護(hù)挖掘機(jī)鏟斗免受磨損最佳的解決方案。最重要是通過(guò)改變底板的材料流動(dòng)模式減小磨損。在挖掘時(shí)，當(dāng)材料從一個(gè)流動(dòng)桶的表面結(jié)束于另一個(gè)時(shí)，它會(huì)發(fā)現(xiàn)其路徑上有幾個(gè)磨損條，一旦材料遇到一個(gè)磨損條，它會(huì)停下來(lái)，直到下一個(gè)材料將其頂替，并從后面推向下一個(gè)磨損條，這樣可以消除滑動(dòng)摩擦的缺點(diǎn)。

重型土方機(jī)械（HEMM）鏟斗用在挖掘機(jī)或鏟斗鏟斗中并受到挖掘作業(yè)影響，它可以挖掘覆蓋層（巖石碎片）或煤礦產(chǎn)品。因此，磨損發(fā)生在其底板、前部區(qū)域、側(cè)壁等。挖掘桶連接在斗桿（最長(zhǎng)桿）的前端，也方便來(lái)回（向后和向前）運(yùn)動(dòng)并體現(xiàn)沖擊負(fù)荷、疲勞壓力、拉力和壓縮力等。這種未潤(rùn)滑的磨損導(dǎo)致挖掘機(jī)鏟斗隨著時(shí)間的推移而停止服務(wù)。進(jìn)入惡化狀態(tài)意味著各種底板和側(cè)壁位置、尺寸變化。劣化/磨損的原因可能是由于各種因素造成的摩擦、磨損、沖擊、疲勞、腐蝕、蠕變等滑異物顆粒對(duì)表面具有疲勞磨損的影響。

滾動(dòng)磨損滑動(dòng)情況下的摩擦系數(shù)也較高。在金屬近似值情況下，滑動(dòng)情況下的摩擦系數(shù)為0.17。在干滑動(dòng)磨損的情況下，材料去除率也較高。對(duì)于硬軋段，滾動(dòng)摩擦系數(shù)相對(duì)較低，典型值介于0.01和0.001之間[1]。在干滑動(dòng)磨損的情況下，大量的真正接觸相對(duì)表面之間的點(diǎn)可以大大減少。當(dāng)相對(duì)的表面分開(kāi)時(shí)，表面上只有較大的凹凸不平可以保持接觸。

2 工程性實(shí)驗(yàn)及分析

2.1 測(cè)試設(shè)置及相關(guān)工作

整個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)置包括原型挖掘機(jī)鏟斗、1m長(zhǎng)的軸和一個(gè)容器煤礦層（覆蓋層）。三塊板被用來(lái)構(gòu)建原型的側(cè)壁和屋頂及沒(méi)有固定在原型底部的板。三個(gè)底部平板已分開(kāi)制造（如圖1）并用于三種不同的工程實(shí)驗(yàn)。

圖1 三個(gè)不同類(lèi)型的工程實(shí)驗(yàn)底部平板

三塊板中，兩塊板有不同的磨損模式，另一個(gè)是沒(méi)有任何磨損條。在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，底板都是焊接在原型上。實(shí)驗(yàn)完成后，底板已被移除，并且另一底部板已焊接進(jìn)行新的實(shí)驗(yàn)。矩形磨損條是由截面為8.5 cm2的錳鋼制成通過(guò)電弧焊接到底板[2]。六個(gè)這樣的耐磨條在一個(gè)案例中垂直焊接，除了這六個(gè)之外垂直桿，另一組三個(gè)水平桿被焊接在第二種情況下。原軸固定在中心的下顎車(chē)床上。軸的另一側(cè)的軸承被安裝在中心車(chē)床的端頭。一個(gè)容器被放置在鏟斗和車(chē)床之間，包含不同大小的煤礦石芯片原型，這樣當(dāng)車(chē)床開(kāi)始時(shí)，原型就會(huì)開(kāi)始在容器內(nèi)旋轉(zhuǎn)并開(kāi)始在礦石上挖掘。在這里，用石頭取代了煤礦層/覆蓋層芯片。

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的基本動(dòng)機(jī)是衡量挖掘鏟的材料損失。在開(kāi)始時(shí)，原模型先在充滿礦物質(zhì)的容器中工作一段時(shí)間，由于磨損而在材料表面進(jìn)行材料去除底板。為了測(cè)量材料損失，將在每個(gè)底板的不同區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。

2.2 工程性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與數(shù)值分析

為了便于計(jì)算，整個(gè)板塊被虛擬分成四部分，即A、B、C和D部分。一切計(jì)算是通過(guò)相應(yīng)的部分完成的，并取所有在該地區(qū)進(jìn)行的測(cè)量的平均值。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，原型連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)在16～22 h[3]。

1）對(duì)于沒(méi)有磨損條的情況。該實(shí)驗(yàn)已在底板上進(jìn)行沒(méi)有任何磨損條來(lái)了解挖掘機(jī)鏟斗的原始表面磨損的影響。

2）垂直耐磨棒。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用單獨(dú)的底板。在這底板上，少量磨損條以垂直方式焊接。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)完成后，底板被從原型中移除，并且這個(gè)盤(pán)子具有垂直式磨損桿，已經(jīng)焊接在原型上。

3）網(wǎng)狀磨損條。前兩個(gè)實(shí)驗(yàn)完成后，最后一個(gè)使用具有網(wǎng)狀磨損棒圖案的底板。

在三組實(shí)驗(yàn)成功完成后，進(jìn)行比較分析。第一底板沒(méi)有磨損條表現(xiàn)出磨損率隨著時(shí)間的增加而嚴(yán)重增長(zhǎng)。第二底板由垂直花紋磨損棒保護(hù)，顯示出磨損比第一塊底板少，但它也表現(xiàn)出較高的磨損。但是，在部分區(qū)域，固定磨損條后磨損率看起來(lái)更加均勻。第三個(gè)底板受到了在網(wǎng)狀模式下的保護(hù)，顯示出最好的磨損率結(jié)果。在第三種模式中，即使在觀察22 h后也未觀察到磨損區(qū)。

產(chǎn)生這些結(jié)果差異的原因是由于將滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)這三次觀察，可以說(shuō)是板塊沒(méi)有磨損棒受到滑動(dòng)/磨削的影響。磨損條的垂直模式也遭受了磨損，但是磨損率相對(duì)較低，因?yàn)榇怪狈较驘o(wú)法使用搖滾，因此，在此模式下也出現(xiàn)了大面積磨損。這種模式的另一個(gè)缺點(diǎn)是每個(gè)磨損條的前端會(huì)同時(shí)磨損。帶網(wǎng)格條紋圖案的板材非常不錯(cuò)，可以有效地將滑動(dòng)轉(zhuǎn)換為滾動(dòng)，即使經(jīng)過(guò)22 h的觀察，也發(fā)現(xiàn)無(wú)大面積磨損區(qū)。根據(jù)從中去除的底板材料量，磨損集中區(qū)已用不同顏色的輪廓所表示繪制在MATLAB編程。在表1中，重磨區(qū)以黑色表示，中等磨損和無(wú)磨損區(qū)域分別以灰和淺灰表示[4-5]。

表1 挖掘機(jī)鏟斗的磨損分析表

3 結(jié)論

整體分析可以得出，如果在底板中使用耐磨桿的網(wǎng)狀定向的挖掘機(jī)鏟斗，會(huì)降低材料磨損率，將有助于增加部件壽命和挖掘機(jī)的可用性，也減少了維護(hù)成本以及早期故障可能性。