采煤機滑靴失效分析

王路平

（山西晉城晉煤集團(tuán)寺河煤礦二號井安裝工區(qū)， 山西 晉城 048000）

引言

對采煤機滑靴進(jìn)行失效分析，就是在實際工況條件和操作過程中，對斷裂、磨損等失效現(xiàn)象進(jìn)行綜合分析，找出失效原因，并采取一定的預(yù)防措施和改進(jìn)技術(shù)。圖1為采煤機滑靴圖。

圖1 采煤機滑靴圖

1 采煤機滑靴的失效形式

近年來，一般運用低碳鋼和普通的鑄造方法來制造滑靴，井下開采環(huán)境又較為惡劣，且長期處于交變載荷作用下工作，制造時材料的剛度、強度、硬度等指標(biāo)達(dá)不到實際應(yīng)用的要求，導(dǎo)致其在生產(chǎn)過程中經(jīng)常失效，這是煤礦生產(chǎn)中的一大“難題”[1-3]。對滑靴進(jìn)行失效分析，找到失效原因，對其材料的性能進(jìn)行進(jìn)一步改善，有著十分重要的意義。采煤機滑靴的主要失效形式有過量變形失效、斷裂失效、表面損傷失效。

1.1 過量變形

滑靴位于采煤機的底部，相當(dāng)于人體的“腿”，屬于承重部件?；ゲ坏鸬搅酥巫饔?，而且還起一定的導(dǎo)向作用，承受采煤機的自身質(zhì)量和較大的摩擦力?，F(xiàn)階段所使用的滑靴，工作面長期處于拉、壓、剪切應(yīng)力下，超過了材料本身的強度極限，會發(fā)生不同程度的塑性變形。

1.2 斷裂失效

采煤機滑靴的斷裂一般發(fā)生在兩個地方（圖2為采煤機滑靴斷裂簡圖），一部分是在采煤機中間斷裂；另外一部分是從采煤機滑靴的導(dǎo)鉤處斷開，圖3所示為采煤機滑靴斷裂圖。

圖2 采煤機滑靴斷裂示意圖

圖3 采煤機滑靴斷裂圖

輸送機的水平、垂直彎曲度直接決定了滑靴的設(shè)計，而實際生產(chǎn)中地形地貌較為復(fù)雜，會超過允許的彎曲度，這時滑靴受力不均勻，就會出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

1.3 表面損傷

1.3.1 磨損

工程機械的磨損給國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展帶來了巨大的損失，僅2007年，摩擦磨損帶來的損失，相當(dāng)于當(dāng)年GDP的4.5%?；ピ诰律a(chǎn)過程中，主要受到得是磨粒磨損、黏著磨損、表面疲勞磨損、腐蝕磨損等，這些磨損形式不是單一發(fā)生的，而是這些磨損類型的交互影響，造成了滑靴經(jīng)常失效斷裂，磨損是滑靴失效最主要的原因之一。

現(xiàn)階段，所使用的滑靴由于其材料本身性能、硬度以及表面粗糙度、接觸表面的摩擦力等原因，使得滑靴在井下生產(chǎn)過程中所表現(xiàn)的耐磨性較差，很難達(dá)到相應(yīng)的要求[4-5]。再加之井下淋水的腐蝕環(huán)境，使滑靴處于腐蝕和磨損的雙重作用下，失效更為嚴(yán)重?；ピ诰蜻M(jìn)過程中，巖壁上經(jīng)常有煤屑、石塊等顆粒物脫落，工作環(huán)境更為惡劣，滑靴處于煤屑以及淋水環(huán)境中，受到交互影響作用，磨損較為嚴(yán)重，加速了滑靴的失效。總而言之，滑靴在井下生產(chǎn)過程中，主要是由于滑靴本身以及所處的環(huán)境兩方面的原因造成的磨損。后者不能改變，只有改變滑靴本身來減少其磨損。減少滑靴材料中塑性夾雜物的冶金缺陷，提高滑靴材料的硬度、減小滑靴表面粗糙度等等，以起到改善滑靴耐磨性的作用，使其適應(yīng)井下生產(chǎn)作業(yè)。

1.3.2 腐蝕

在現(xiàn)有社會，工程機械的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重，帶來的損失也相當(dāng)巨大。僅2002年一年，我國就因機械腐蝕問題帶來大量機械失效，所承受的損失為當(dāng)年GDP的5%，因此，對于工程機械的腐蝕問題應(yīng)嚴(yán)格控制預(yù)防[6]。

滑靴處于特殊的工作環(huán)境，井下淋水較為嚴(yán)重，在生產(chǎn)過程中將受到不同程度的腐蝕，且井下溫度較高、潮濕，進(jìn)一步加速了腐蝕?；ケ砻鏁l(fā)生不同程度的局部腐蝕，使得某些局部腐蝕較周圍嚴(yán)重，出現(xiàn)點蝕、溝槽、破裂等破壞現(xiàn)象。滑靴在井下主要發(fā)生的是點蝕、疲勞腐蝕、磨損腐蝕等。這主要是由于井下特殊的環(huán)境，淋水存在較大的不均勻性，電化學(xué)條件的差異使得滑靴的局部腐蝕持續(xù)進(jìn)行。局部腐蝕的危害性較均勻腐蝕大，且腐蝕事故一般較為突然，現(xiàn)代機械所出現(xiàn)的腐蝕事故80%為局部腐蝕事故。因此，應(yīng)合理選用滑靴材料，有效預(yù)防腐蝕事故的發(fā)生，節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境。

1.3.3 接觸疲勞

滑靴在經(jīng)過一段時間的生產(chǎn)作業(yè)后，在接觸表面會出現(xiàn)一些凹坑、麻點，滑靴繼續(xù)工作，麻點會繼續(xù)增多，隨之剝落，且范圍逐漸擴(kuò)大，受到較大面積的損壞，嚴(yán)重時導(dǎo)致滑靴失效，這都是由于接觸疲勞造成的。經(jīng)相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，滑靴的接觸疲勞主要是由于滑靴的結(jié)構(gòu)、材料以及所采用的工藝等因素交互作用的結(jié)果。

2 采煤機滑靴失效的主要原因

經(jīng)過上述的分析，可知采煤機滑靴的失效具有漸進(jìn)性和突發(fā)性兩種失效規(guī)律，其失效的主要原因可歸結(jié)為以下幾個方面。

2.1 自身的耗損

滑靴在使用過程中，受到磨損或腐蝕，造成機體組織破壞所導(dǎo)致的損失。這就需要在選用材料時，盡量選用適合工藝生產(chǎn)需求的材料，現(xiàn)今所使用的滑靴主要由低碳鋼制造，工藝也較為簡單，耐磨性和耐腐蝕性的性能都達(dá)不到生產(chǎn)的需求。減少自身損耗的直接有效的方法就是找到一種適合井下作業(yè)的耐腐蝕磨損的新型采煤機滑靴材料。

2.2 使用條件的影響

2.2.1 井下條件的影響

井下空間狹窄，采掘工作面還需經(jīng)常移動，經(jīng)常伴有煤、巖石塊脫落，滑靴在移動的過程中會受到拉壓、碰撞，使其受到一定的損傷，磨損變大；且環(huán)境潮濕，有的地方淋水較為嚴(yán)重，溫度還較高，加速了滑靴的腐蝕，滑靴表面就必須具有一定的耐蝕性；井下還存在一定濃度的瓦斯氣、煤塵等爆炸性混合物，惡化了滑靴的工作環(huán)境，這就要求滑靴在使用過程中具有一定的防爆性，即減少摩擦過程中的火花；井下工作較為復(fù)雜，且負(fù)荷變化也較大，這就要求滑靴有一定超負(fù)荷能力，使設(shè)備在運行過程中較為穩(wěn)定。

煤礦開采環(huán)境的多樣性要求再制造滑靴的材料具有一定的抗拉壓、碰撞、耐腐蝕性、耐磨性、防爆性，且還要具有一定的超負(fù)荷能力。

2.2.2 操作條件的影響

研究表明，井下煤礦掘進(jìn)工作面有時斜面傾角較大，滑靴的受力也隨之變大，使其失去平衡，發(fā)生斷裂和損傷，傾斜開采是導(dǎo)致滑靴失效的原因之一。因此，掘進(jìn)工作面出現(xiàn)褶皺、斷層等現(xiàn)象，都極易導(dǎo)致滑靴失效。輸送機在一段時間的使用之后，由于磨損使其彎曲度變大，超過了允許的彎曲極限，滑靴將受到較大的側(cè)向力，導(dǎo)致斷裂失效；且操作人員不嫻熟的操作技術(shù)也會對滑靴造成一定的損傷，在推動輸送機時，如果不能保證輸送機平、直、穩(wěn)，也會導(dǎo)致失效斷裂，這就要求工人須掌握一定的操作技巧，盡可能地避免和減少滑靴失效。

地質(zhì)條件和輸送機長期使用產(chǎn)生的磨損所導(dǎo)致的滑靴失效是不可避免的。但相關(guān)的操作人員只需進(jìn)行一定的培訓(xùn)，掌握操作技巧及規(guī)律，就可以在一定程度上避免滑靴失效。

2.2.3 維修條件的影響

我國在維修采煤機滑靴方面，現(xiàn)有的發(fā)展還不是很成熟。目前大部分使用后失效的滑靴都直接廢棄不用，這是對資源和能源的極大浪費。且修后再使用的滑靴其耐久性也較差，主要原因還是由于維修水平低、質(zhì)量差、設(shè)備落后。因此，對采煤機滑靴進(jìn)行再制造研究十分重要，失效后能修復(fù)的滑靴利用一定技術(shù)條件進(jìn)行改良，使其性能得到進(jìn)一步改善，且耐久性也得到進(jìn)一步的提高。

改善維修滑靴條件、水平的落后現(xiàn)狀，這就需要改善現(xiàn)有技術(shù)，大大發(fā)揮再制造的優(yōu)勢，開發(fā)現(xiàn)有滑靴再制造所需的儀器設(shè)備以及相關(guān)的人才，對于滑靴再制造技術(shù)的成熟以及滑靴大批量修復(fù)具有一定的現(xiàn)實和理論意義，且大大符合我國發(fā)展資源節(jié)約型社會的要求。

2.3 結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計的缺陷

研究表明，AM500型采煤機滑靴失效的主要原因是由于滑靴跨距較大、內(nèi)導(dǎo)角及內(nèi)檔尺寸設(shè)計不合理等原因造成的?，F(xiàn)制造的滑靴表面一般采用的是火焰淬火，這個過程較大程度上是受操作人員技能的影響，且生產(chǎn)出來的滑靴質(zhì)量較一般，達(dá)到設(shè)計要求的較少，耗時耗材，說明滑靴在工藝方面也存在一定的不科學(xué)之處，使得硬度和耐磨性等都達(dá)不到要求。除了以上原因，滑靴在鑄造的過程中也存在一定的缺陷。

現(xiàn)有采煤機滑靴結(jié)構(gòu)與工藝設(shè)計的不合理，除在生產(chǎn)中導(dǎo)致了滑靴的失效，還浪費了原材料和配件。這就需要改善現(xiàn)有滑靴不合理的設(shè)計結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝。

3 結(jié)論

1）采煤機滑靴在實際生產(chǎn)中受到的主要失效形式為磨損、斷裂等，還會受到一定的過量變形、腐蝕以及接觸疲勞，使得滑靴在井下生產(chǎn)過程中經(jīng)常失效，了解這些失效形式，找到失效原因，解決這一問題。

2）目前，國內(nèi)所使用得滑靴之所以經(jīng)常失效，主要是由于自身的損耗、使用條件、滑靴材料制造時結(jié)構(gòu)和工藝的不合理等。

3）解決現(xiàn)階段滑靴失效的辦法主要有：改善現(xiàn)有生產(chǎn)工藝（例如采用一些先進(jìn)的表面處理技術(shù)、改善滑靴的結(jié)構(gòu)）、培訓(xùn)相關(guān)井下生產(chǎn)操作人員，掌握操作技巧、研究一些修復(fù)技術(shù)（例如再制造）和維修技術(shù)。