中部槽磨損失效分析及抗磨措施研究

祁圣凱，黎文強，馬宗彬，韓光普

(河南省煤科院耐磨技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450001)

煤炭工業(yè)是關(guān)系著國家經(jīng)濟和國民生活的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，合理高效的煤炭開采和運輸是煤炭行業(yè)發(fā)展的主要方向[1]。刮板輸送機是煤礦機械化開采的核心設(shè)備，而中部槽作為刮板輸送機最重要的組成部分，在運行過程中，既要作為運輸煤料的載體，同時又是采煤機運行的軌道，其質(zhì)量和壽命直接決定了采煤系統(tǒng)的綜采能力[2]。由于中部槽自身的工作特性，加上井下惡劣的工況環(huán)境，在運行過程中會與煤料、鏈條和刮板產(chǎn)生劇烈摩擦，還要承受部分大石塊和煤塊的沖擊，使其成為使用量和消耗量最大的部件。中部槽磨損失效不僅會降低煤炭開采的效率，浪費大量的資源，嚴重的還會導致事故頻發(fā)，帶來安全問題。因此，中部槽的強度、可靠性和使用壽命是衡量綜采裝備質(zhì)量的重要指標。對中部槽進行失效分析，結(jié)合煤礦井下工作環(huán)境，分析中部槽磨損失效機理，找出影響中部槽磨損嚴重程度的因素，并提出合理切實的措施，有效提高中部槽的耐磨性，降低中部槽磨損失效率，減少了維修時間和次數(shù)，也保證了采煤工作的安全性和高效性。

1 中部槽磨損失效機理

中部槽的磨損是由多種原因造成的，是一個復雜的過程。刮板輸送機在生產(chǎn)運行過程中，中部槽會與開采的煤料、刮板和鏈條長時間相互作用產(chǎn)生磨損，且煤料中一般含有較多的雜質(zhì)，部分雜質(zhì)的硬度較高，對中部槽的磨損產(chǎn)生很大的影響，在復雜的工作環(huán)境下，承受不止一種形式的磨損，有磨粒磨損、腐蝕磨損、黏著磨損和疲勞磨損[3]，4種磨損形式的磨損在整個過程中存在，且磨損過程各不相同，中部槽磨損情況如圖1所示。對各個磨損種類進行分析，有利于改進中部槽的性能，并能結(jié)合工況現(xiàn)場磨損情況提出對應的抗磨措施。

圖1 中部槽磨損情況Fig.1 Wear of the middle groove

1.1 磨粒磨損

煤料開采后有部分細小的煤顆粒和煤矸石顆粒會殘留在刮板、鏈條和中部槽的間隙處，隨著刮板和鏈條的運行，部分硬質(zhì)顆粒會對中部槽產(chǎn)生微切削和刮擦，造成磨粒磨損[4]，這種硬質(zhì)顆粒存在于相互作用的材料之間參與磨損是三體磨粒磨損，中部槽上分布的刮板在運行過程中也會對中部槽產(chǎn)生磨粒磨損，兩者互相摩擦，刮板沿著中部槽不斷移動造成的磨損成為二體磨粒磨損。2種磨損形式同時存在，使得中部槽表面產(chǎn)生較多細小的犁溝，長時間作用下，切削會逐漸積累發(fā)生塑性變形，在刮板和鏈條的反復作用下，容易產(chǎn)生裂紋，導致磨損加劇。

1.2 腐蝕磨損

煤礦井下開采環(huán)境濕度較大，煤炭開采中會產(chǎn)生較多SO2、CO2等腐蝕性氣體，再加上各種粉塵，使中部槽使用環(huán)境酸堿度偏高，屬于腐蝕性介質(zhì)，極易銹蝕中部槽表層，銹蝕后又被后續(xù)磨粒等磨掉，磨損過的表面更易氧化生銹，加速了中部槽的失效[5]。中部槽微裂紋形成后，部分離子等雜質(zhì)極易進入這些裂紋，加快裂紋的擴展，且在裂紋處產(chǎn)生銹蝕，加速了中部槽的損壞。

1.3 黏著磨損

刮板輸送機在運行過程中，中部槽和刮板、鏈條的接觸只是部分凸起之間相互接觸，相互接觸面積較小，當各自承載后作用在接觸部位的壓力很大，隨著相對運動的不斷進行，中部槽和鏈環(huán)之間的如煤粉和氧化膜等隔離膜逐漸消失，使得部分凸起表面溫度因摩擦急劇升高，甚至出現(xiàn)熔化現(xiàn)象，在多重壓力下鏈條繼續(xù)運行，會使這些熔化處發(fā)生撕裂，產(chǎn)生黏著磨損。

1.4 疲勞磨損

煤礦開采過程中，煤料和部分石塊等固體會掉落，以一定的角度和速度對中部槽產(chǎn)生沖擊，當一次沖擊時，中部槽表面材料由于具有延展性不會遭到損壞，作為煤料運輸?shù)某休d部分，中部槽長時間工作過程中要經(jīng)受煤料、鏈條和刮板若干次的沖擊和磨損，位于中部槽內(nèi)部應力集中處的裂紋源，在不斷的摩擦、沖擊下形成裂紋，裂紋在后續(xù)的磨損過程中不斷擴展，導致疲勞斷裂，中部槽表面材料發(fā)生疲勞磨損，進而從表面脫落。

2 中部槽磨損失效主要影響因素

2.1 工況環(huán)境的影響

不同煤礦開采的煤料性質(zhì)差別較大，且中部槽的工作環(huán)境也有很大的區(qū)別。不同煤礦開采的煤料顆粒大小不同，煤料的顆粒越小，對中部槽的磨損程度越小，且小顆粒煤料對中部槽的沖擊作用也較小[6]；煤料的含矸率對中部槽的磨損存在較大的影響，煤矸石的硬度遠遠大于煤顆粒的硬度，且煤矸石一般密度較大，同等體積下的質(zhì)量較大，在開采過程中會掉落對中部槽產(chǎn)生沖擊，還會在運行中增大刮板、刮板鏈與中部槽之間的磨損；煤礦井下相對濕度較大，不同煤礦水分含量的不同，一方面影響煤料的黏度，進而影響煤料對中部槽的磨損，另一方面潮濕的工作環(huán)境容易使中部槽出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，中部槽出現(xiàn)銹蝕后，大大影響其耐磨損性能；礦井的酸堿度會對中部槽的腐蝕造成極大的影響，進而加速中部槽的磨損失效[7]。

總體來說，中部槽所處的工況環(huán)境極易影響中部槽在使用過程中出現(xiàn)的磨損和腐蝕情況。

2.2 運行速度的影響

不同的煤礦，刮板輸送機的運行速度是不同的，對中部槽的磨損也有較大的差異。當前，國內(nèi)煤礦開采一直向大規(guī)模、高產(chǎn)高效趨勢發(fā)展，因此，刮板輸運機的運行速度越來越快，相同的材料承受等量的載荷時，運行速度不同，磨損的形式也不相同。輸送機在運行過程中，大量的煤礦物會落入到中部槽中，這些煤礦物需要很大的摩擦力才能快速運行[8]，運行速度越快，單位時間內(nèi)中部槽承載的煤料越多，運行速度增大，會使金屬表面發(fā)生黏著現(xiàn)象，煤料與中部槽的接觸面積會加大，中部槽表面的氧化過程也會發(fā)生變化，進而導致磨損形式的變化[9]，使得中部槽的磨損程度增加。

2.3 工作面角度的影響

煤礦進行煤炭開采時，根據(jù)實際工況的不同，會存在不同的鋪設(shè)傾角，一般綜采工作面的夾角不超過10°。當水平鋪設(shè)時，煤塊和煤矸石等掉落對中部槽的沖擊力最大，而中部槽材料一般韌性較差，有較大的脆性，容易出現(xiàn)表面材料剝落的情況。研究發(fā)現(xiàn)，由于中部槽連續(xù)工作時間較長[10]，長時間運載狀態(tài)下，工作面鋪設(shè)傾斜向下時，中部槽磨損最??；工作面水平鋪設(shè)時，磨損次之；工作面鋪設(shè)向上傾斜時，中部槽的磨損程度最嚴重。隨著鋪設(shè)角度的增大，煤料下落時中部槽受到的切向力增大[11]，表面剝落的材料增多，對中部槽的磨損加劇。

3 中部槽磨損失效改進措施

3.1 合理的操作與維護

中部槽作為刮板輸送機的主體部分，影響著企業(yè)的生產(chǎn)效益，而其工作環(huán)境又是相當復雜且惡劣，因此對于中部槽的維護和保養(yǎng)也是必不可少的。當前，煤炭的開采都朝著高產(chǎn)高效、大規(guī)模科技化方向發(fā)展，需要提高操作人員素質(zhì)，加強其技能培訓，達到正確、正規(guī)操作，避免人為因素造成中部槽的失效[12]。在條件允許的情況下，要定期對中部槽進行清理，部分磨損程度較重的構(gòu)件及時更換，在一定程度上減小摩擦阻力。在采煤過程中，盡量使工作面保持平直，減小傾角，減輕鏈條對中部槽的磨損速度。當沒有煤料運輸時，盡量避免輸送機長時間運轉(zhuǎn)，減少不必要的磨損和能量消耗。

3.2 建立健全設(shè)備管理制度

中部槽的磨損失效對于整個煤礦行業(yè)的安全高效生產(chǎn)都是一個亟待解決的問題，相關(guān)企業(yè)需要重視設(shè)備的維護管理。很多時候中部槽的磨損不僅是自身工作特性的原因，還存在缺乏相應科學合理的維護管理制度而導致的人為因素的問題。嚴格地做到專人專管、設(shè)備的安裝運行規(guī)范化，結(jié)合具體煤礦的特點，制定切實可行的設(shè)備維護流程。設(shè)備維護管理者要承擔自身的責任，嚴格地落實各項管理制度，根據(jù)實際經(jīng)驗及具體情況不斷完善管理規(guī)則，還要運用先進設(shè)備和科技手段對中部槽的運行過程進行檢測，嚴格把控中部槽的磨損情況，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。對于所發(fā)現(xiàn)的問題，做出系統(tǒng)準確的分析，根據(jù)分析結(jié)果考慮不同的維護方法，并選擇切實可行的方案，做到規(guī)范管理、規(guī)范操作、規(guī)范維護，有效降低中部槽的故障率。

3.3 選擇合適的耐磨材料

中部槽在使用過程中主要是磨損失效，國內(nèi)目前刮板輸送機材料主要用16Mn作為耐磨鋼板，其耐磨性較普通碳鋼有所提高[13]，但對于井下的磨損環(huán)境和強度要求來說，其耐磨性能達不到使用要求。國內(nèi)許多研究人員、煤礦廠家逐漸開發(fā)出其他耐磨性能較好的材料，比如選擇硬度更高的NM400等高強度耐磨鋼作為制作中部槽的材料，其耐磨性能有明顯的提高[14]。在開發(fā)耐磨金屬材料時，試選擇合適的工程塑料、陶瓷等非金屬材料以及復合材料，也可以選擇合適的材料進行熱處理來增加其硬度[15]，結(jié)合中部槽的磨損機理，選擇合適的熱處理工藝，研發(fā)性價比高、綜合性能好的耐磨材料。

3.4 表面強化技術(shù)

工件的磨損一般都發(fā)生在相互作用的表面，因此，利用表面強化技術(shù)通過增強中部槽的表面性能以及經(jīng)濟有效地對舊中部槽進行表面修復[16]，成為切實高效地解決中部槽磨損失效問題的方法。表面強化技術(shù)可以通過需要的工藝來增強材料的表面硬度和耐磨性，由于不用整體更換材料，具有較高的性價比，能夠充分發(fā)揮材料的優(yōu)勢，被廣泛用于材料表面的強化修復。常采用堆焊或熔覆的方法，將耐磨合金材料高溫下熔化以冶金結(jié)合的方式在基材表面形成耐磨涂層，大大提高中部槽的使用壽命。根據(jù)中部槽使用的具體工況環(huán)境，選擇合適的耐磨材料、堆焊厚度和耐磨材料布局等，且可以根據(jù)用戶的需求在基材表面堆焊出不同形狀、大小的耐磨層[17]，耐磨處理后中部槽的整體耐磨性能有明顯的提升，大幅度提高其使用壽命，減少中部槽的維修次數(shù)和維護成本。等離子熔覆耐磨強化處理的中部槽中板如圖2所示。

圖2 等離子熔覆耐磨強化處理的中部槽中板Fig.2 Plasma cladding wear-resistant and strengthened middle groove plate

4 結(jié)語

刮板輸送機是高產(chǎn)高效、大規(guī)模綜采的核心運輸裝備，中部槽作為刮板輸送機的關(guān)鍵構(gòu)件之一，其使用壽命直接決定著整套綜采系統(tǒng)的效率和質(zhì)量。作為井下煤料運輸?shù)闹胁坎燮涔ぷ鳝h(huán)境較差，在使用過程中會受到嚴重的磨損和腐蝕，極易導致失效。通過分析中部槽磨損失效機理，結(jié)合具體工況環(huán)境，找出影響中部槽磨損嚴重程度的因素。為減輕中部槽的磨損、延長中部槽使用壽命，煤礦工作人員在工作中應合理規(guī)范地操作，加強設(shè)備的維護和保養(yǎng)；管理者要根據(jù)自身煤礦情況制定完善可行的設(shè)備維護管理規(guī)則，形成完整的中部槽全壽命周期管理體系。相關(guān)研究人員選擇和開發(fā)合適的耐磨材料并應用表面強化技術(shù)，能夠有效提高中部槽的耐磨性，提高中部槽的使用壽命，保證中部槽在采煤過程中的平穩(wěn)高效運行。

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