煤礦采掘設(shè)備關(guān)鍵零部件的磨損機理及表面強化技術(shù)

郭 瑜

（臨縣煤炭糾察隊， 山西 呂梁 033200）

引言

在煤礦實際的采掘條件下，煤礦機械零部件磨損基本上都是出現(xiàn)在表面或者是從表面開始，因此增強材料的表面性能，不僅可以延長零部件使用壽命還可以提高采掘效率。往往傳統(tǒng)零部件是根據(jù)整體均勻性原則進行設(shè)計的，機械零部件都由不同原因進行不同程度的磨損，由于磨損產(chǎn)生失效現(xiàn)象，當此現(xiàn)象發(fā)生時，不僅影響采掘進度及效率，也造成極大的經(jīng)濟損失，嚴重會造成不同程度的安全事故。所以在設(shè)計中不僅要保證零部件的性能還要提高其表面的性能，結(jié)合這種基礎(chǔ)設(shè)計理念，研究各種對材料表面處理的技術(shù)[1]，從而提高機械零部件使用壽命。

1 煤礦機械零部件的磨損失效分析

結(jié)合煤礦機械設(shè)備及零部件實際狀況進行分析，煤礦機械采掘作業(yè)中失效現(xiàn)象往往是由磨料磨損與腐蝕磨損兩種磨損形式造成的。

1.1 磨料磨損

磨料磨損主要是指相對較硬的物質(zhì)與摩擦表面進行接觸運動的過程中使表面材料發(fā)生耗損的現(xiàn)象。煤炭作為一種特殊的機械磨料，煤礦機械零部件大多是因為磨料磨損而失效，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)表明，煤礦機械設(shè)備磨損70%以上都是磨料磨損所造成的。煤炭是一種混合磨料，其相應(yīng)的成分及相應(yīng)的硬度不同，造成磨損程度也不同。

因為煤炭屬于一種混合磨料，并存在著軟磨料及硬磨料，因此在進行磨料過程中所存在的磨損方式也極其復雜。如圖1所示，磨料在進行與機械零部件摩擦時所產(chǎn)生的作用力可分為法向力與切向力。因為這種切削的寬度與深度都相對較小，并產(chǎn)生的切屑也比較小，因此稱為微觀切削。往往在煤礦機械磨損過程中微觀切削機理是其中最主要的磨損機制，因為在一定的載荷條件下，相對硬度較低的材料會被磨料壓入深度相對較大，因此切削量也隨之較大，磨損率達到最高[2]。

圖1 微觀切削機理模型

還有一種叫多次塑性變形磨損機理，如圖2所示，根據(jù)分析這種多次塑性變形磨損機理可以得知，材料自身表面的多次塑性變形引起材料晶格發(fā)生畸變，當畸形到一定程度時，其表面失去塑性變形能力，并且其脆性顯著增大，因此，在經(jīng)過沖擊力的過程后會斷裂成磨屑。

圖2 多次塑性變形磨損機理模型

1.2 腐蝕磨損

腐蝕磨損是指在作業(yè)中兩物體表面產(chǎn)生摩擦在氣體或液體等的作用下，產(chǎn)生化學反應(yīng)，在機械表面形成腐蝕產(chǎn)物并在摩擦的過程中脫落，然后在新的表面又一次發(fā)生化學現(xiàn)象，反復的腐蝕與磨損的過程稱之腐蝕磨損。

2 機械零部件表面強化技術(shù)

2.1 等離子熔覆技術(shù)

零部件磨損常常是在零件表面所發(fā)生的，因此結(jié)合材料進行表面工程技術(shù)改善，可以通過增強零部件表面的性能達到提高設(shè)備耐磨及耐腐蝕的目的。等離子束表面改性技術(shù)是一種根據(jù)等離子焊接、等離子噴涂和激光熔覆等技術(shù)進行改善的新型表面強化技術(shù)。其技術(shù)是以壓縮等離子束作為熱源，進行基體表面上熔覆處理，從而能夠提高基體材料表面的耐磨性、耐腐蝕性等。如果對自由電弧強迫進行壓縮，使弧柱中氣體幾乎全部達到電離狀態(tài)的電弧，稱之為等離子弧，如圖3所示。等離子弧具有溫度高、能量密度大、融透力比較強、形態(tài)上近似圓柱形，可以保證整個弧長上都能在高溫狀態(tài)下、穩(wěn)定性好、極強的機械沖刷力等特點。等離子弧是以三種形式所體現(xiàn)的：非轉(zhuǎn)移型，在離子弧產(chǎn)生在鎢極與噴嘴正負極之間，在離子氣流的壓送下，弧焰從噴嘴中噴出，形成等離子弧，其溫度可達到兩萬攝氏度；轉(zhuǎn)移型，在等離子產(chǎn)生在鎢極與工件正負極之間，但由于轉(zhuǎn)移弧難于直接形成，因此必須先引燃非轉(zhuǎn)移弧然后再過度到轉(zhuǎn)移弧，其溫度可達到三萬攝氏度；聯(lián)合型，如果在工作時轉(zhuǎn)移弧與非轉(zhuǎn)移弧同時存在，則稱之為聯(lián)合型轉(zhuǎn)移弧。

2.2 等離子熔覆技術(shù)的優(yōu)越性

在表面工程技術(shù)應(yīng)用各種技術(shù)中，激光熔覆設(shè)備費用較高、火焰噴涂過程嚴重污染環(huán)境等缺點，在廣泛應(yīng)用中并不占有優(yōu)勢。等離子熔覆技術(shù)與激光熔覆相似，可以達到瞬間融化并快速凝固的過程，同時還具有組織細化及沉淀強化等作用。和激光熔覆相比，有著與激光形似的能量密度，電熱的轉(zhuǎn)化效率相對較高，并且發(fā)生裝置簡單，成本低，對工作環(huán)境要求低，具有比較優(yōu)越的性價比。如表1所示，等離子熔覆與激光熔覆的各指標對比。因為等離子束改性技術(shù)擁有多種使用優(yōu)點，因此在目前該領(lǐng)域中得到了良好的發(fā)展。利用轉(zhuǎn)移型常壓等離子束對鋼和鑄鐵進行表面處理的技術(shù)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到相關(guān)行業(yè)的機械零部件磨損上，并可以對工件的形狀、所處工作環(huán)境條件等因素進行調(diào)整等離子發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，從而有效提高工作效率及工作質(zhì)量，進而提升經(jīng)濟效益[4]。

3 結(jié)語

圖3 等離子弧產(chǎn)生示意圖

表1 離子熔覆與激光熔覆的各指標對比

因為開采煤炭是在井下進行工作，并且環(huán)境惡劣，煤礦機械就在這種惡劣的環(huán)境下進行工作停機時間會比較短，因此相關(guān)機械零部件得不到良好的維護，從而使相關(guān)采掘設(shè)備出現(xiàn)嚴重磨損現(xiàn)象。因此，有必要采取相應(yīng)的措施進行防治并減少機械零部件磨損失效，等離子熔覆技術(shù)可以有效強化機械零部件磨損，從而增加零部件使用壽命,提高煤礦采掘工作效率和經(jīng)濟效益。