刮板輸送機(jī)中部槽金屬對(duì)磨試驗(yàn)分析

任丙超

（冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)通方煤礦機(jī)械有限公司，河北邯鄲）

刮板輸送機(jī)是長(zhǎng)壁工作面采煤中的常用設(shè)備，中部槽作為刮板輸送機(jī)的核心部件，其耐磨性能將直接決定刮板輸送機(jī)的使用壽命和運(yùn)煤效率。由于井下工作環(huán)境惡劣，加上刮板輸送機(jī)經(jīng)常超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致中部槽金屬磨損嚴(yán)重，如何提升中部槽金屬的耐磨性能，在滿足刮板輸送機(jī)日常運(yùn)行要求的前提下最大程度的降低磨損，成為研究的熱門課題。摩擦試驗(yàn)機(jī)可用于金屬、橡膠等多種材料的耐磨性試驗(yàn)，利用摩擦試驗(yàn)機(jī)模擬刮板輸送機(jī)的多種運(yùn)行工況，分別設(shè)定不同的加載壓力、滑動(dòng)速度、磨損行程等變量，探究不同變量對(duì)中部槽金屬的磨損影響，為優(yōu)化刮板輸送機(jī)的運(yùn)行管理提供借鑒。

1 刮板輸送機(jī)中部槽金屬對(duì)磨試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

本文選用山東保航立式萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行中部槽金屬對(duì)磨試驗(yàn)，該裝置由主機(jī)、氣壓加載系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)組成。額定功率20 kW，最高溫度360 ℃，最大轉(zhuǎn)速1 800 r/min，可提供2 000 N 摩擦力，試樣中心回轉(zhuǎn)半徑200 mm。在刮板輸送機(jī)中部槽金屬對(duì)磨試驗(yàn)中，摩擦系數(shù)（μ）和磨損量（M）是兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。其中，摩擦系數(shù)計(jì)算公式如下

式中：f 表示摩擦力；F 表示施加在試樣上方的正壓力，單位均為N。磨損量的計(jì)算公式為

式中：M1表示對(duì)磨試驗(yàn)前試樣的質(zhì)量；M2表示對(duì)磨試驗(yàn)后試樣的質(zhì)量，單位均為mg。

1.2 試驗(yàn)材料及方法

參考刮板輸送機(jī)中部槽的形狀制作了3 種不同材質(zhì)（分別為16Mn、NM400、HD400），長(zhǎng)和寬均為30 mm、厚度為5 mm 的正方形試樣，并對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行打磨處理。第一遍用砂輪粗磨，第二遍用粗砂紙精磨，第三遍用細(xì)砂紙精磨。摩擦盤采用45 鋼。試驗(yàn)方法如下：用電子天平精準(zhǔn)稱量打磨后的試樣，記錄此時(shí)的重量。將中部槽試樣放置到試驗(yàn)機(jī)的加載部位（如圖1所示），測(cè)試人員在試驗(yàn)機(jī)上設(shè)定磨損行程、試驗(yàn)溫度、加載壓力、滑動(dòng)速度等可變參數(shù)后，啟動(dòng)機(jī)器開始對(duì)磨試驗(yàn)，摩擦盤以順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣取下，用酒精布將磨損面擦干凈，待酒精完全揮發(fā)后將試樣置于精密電子天平上稱量其重量[1]。

圖1 刮板輸送機(jī)中部槽金屬對(duì)磨試驗(yàn)示意

2 刮板輸送機(jī)中部槽金屬對(duì)磨試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 磨損量與磨損行程的關(guān)系分析

選擇16Mn、NM400 和HD400 三種不同類型的鋼試樣進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)。在試驗(yàn)中將磨損行程（轉(zhuǎn)數(shù)）作為唯一變量，探究磨損行程從0 增加至60 000 轉(zhuǎn)過(guò)程中三塊試樣磨損量的變化，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 磨損量與磨損行程的關(guān)系

由圖2 可知，隨著磨損行程的增加，3 塊試樣的磨損量均呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這說(shuō)明在整個(gè)對(duì)磨試驗(yàn)過(guò)程中，3 塊試樣均處于穩(wěn)定磨損狀態(tài)，磨損量與磨損行程正相關(guān)。橫向?qū)Ρ瓤梢园l(fā)現(xiàn)，隨著磨損行程的增加，3塊試樣磨損量的差值也在拉大。在磨損行程為10 000轉(zhuǎn)時(shí)，16Mn 試樣的磨損量為18 mg，HD400 試樣的磨損量為5 mg，兩者相差13 mg。在磨損行程（轉(zhuǎn)數(shù)）為60 000 轉(zhuǎn)時(shí)，16Mn 試樣的磨損量為120 mg，HD400試樣的磨損量為60 mg，兩者相差60 mg。按照這一趨勢(shì)，繼續(xù)增加磨損行程，不同試件的磨損量差異將會(huì)更加明顯[2]。

2.2 加載壓力對(duì)摩擦系數(shù)的影響

統(tǒng)計(jì)16Mn 和NM400 兩塊試樣在不同磨損行程下的摩擦系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同材料摩擦系數(shù)與磨損行程的關(guān)系

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，可以將兩塊試樣的磨損過(guò)程大體分為兩個(gè)階段：其一是磨損初期的跑合階段，該階段摩擦系數(shù)快速增加；其二是穩(wěn)定階段，該階段摩擦系數(shù)在小范圍內(nèi)波動(dòng)[3]。分析其原因，打磨后的試樣不可能做到完全光滑，在對(duì)磨試驗(yàn)的跑合階段試樣表面的凸體率先與摩擦盤接觸，直到凸體被完全磨平后才進(jìn)入穩(wěn)定階段。在跑合階段，NM400 材料的表面硬度更高，所以凸體不容易被抹平，因此NM400 試樣完成跑和過(guò)程內(nèi)需要更長(zhǎng)時(shí)間。

以NM400 試樣為例，將壓力工況分別設(shè)定為5 N、10 N、15 N、20 N，探究不同加載壓力下試樣摩擦系數(shù)與磨損行程的關(guān)系。結(jié)果表明，當(dāng)加載壓力從5 N 增加至20 N 后，試樣能夠更快進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，并且在穩(wěn)定后摩擦系數(shù)更低。這是因?yàn)樵诩虞d壓力較大的情況下，試樣表面接觸壓應(yīng)力也會(huì)相應(yīng)增加，微觀上的表面凸體加速磨平，從而在對(duì)磨試驗(yàn)開始后迅速進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。

2.3 工況對(duì)磨損量的影響

2.3.1 滑動(dòng)速度對(duì)磨損的影響

在煤礦開采與運(yùn)輸中，由于綜采工作面的采煤效率不同，刮板輸送機(jī)的鏈速也需要頻繁的調(diào)整[4]。在不同的滑動(dòng)速度下，對(duì)中部槽金屬的磨損也會(huì)表現(xiàn)出區(qū)別。為了探究滑動(dòng)速度對(duì)中部槽金屬磨損量的影響，試驗(yàn)中將滑動(dòng)速度作為唯一變量，將加載壓力調(diào)整為5 N，設(shè)定0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s五個(gè)速度，記錄不同速度下16Mn、NM400 和HD400三種試樣的磨損量，結(jié)果如圖3所示。

圖3 低壓下磨損量與滑動(dòng)速度的關(guān)系

由圖3 可知，在加載壓力恒定的情況下，三種試樣的磨損量隨著滑動(dòng)速度的增加呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且前期磨損量的增速較快；在滑動(dòng)速度達(dá)到1.4 m/s 后，繼續(xù)提升滑動(dòng)速度，試樣磨損量的增長(zhǎng)量開始放緩。除此之外，分別探究了加載壓力為15 N 和20 N 時(shí)磨損量與滑動(dòng)速度的關(guān)系，在滑動(dòng)速度0.8 m/s 提升至1.6m/s 過(guò)程中，16Mn、NM400 和HD400 三種試樣的磨損量整體變化趨勢(shì)與低壓下的變化趨勢(shì)基本一致，區(qū)別在于加載壓力越大，磨損量與滑動(dòng)速度之間的線性關(guān)系越好。

2.3.2 加載壓力對(duì)磨損的影響

加載壓力與刮板輸送機(jī)中部槽金屬的磨損有密切關(guān)系。實(shí)踐表明，當(dāng)刮板輸送機(jī)長(zhǎng)時(shí)間處于超負(fù)荷運(yùn)載狀態(tài)時(shí)，中部槽金屬受到壓力較大，摩擦情況加重，中部槽的使用壽命也會(huì)縮短，這也是中部槽成為刮板輸送機(jī)上最容易失效部件的主要原因[5]。為了探究加載壓力與中部槽金屬磨損之間的關(guān)系，將試驗(yàn)機(jī)的滑動(dòng)速度設(shè)定為0.8 m/s，探究16Mn、NM400、HD400 三種試樣在不同壓力（5 N、10 N、15 N、20 N）下的磨損量變化，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 低速下磨損量與壓力的關(guān)系

由圖4 可知，三種試樣在低速下的磨損量隨著壓力的增加而增加。在加載壓力相同的情況下，三種試樣磨損量由高到低分別為16Mn、NM400、HD400。橫向?qū)Ρ葋?lái)看，HD400 試樣的磨損量隨著壓力的增加呈線性變化，而16Mn 和NM400 兩種試樣在加載壓力達(dá)到15N 后出現(xiàn)突變。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)測(cè)試在中速（1.2 m/s）和高速（1.6 m/s）下3 種試樣的磨損量與加載壓力關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果與低速情況下基本一致，即相同工況下16Mn 試樣磨損量最大，HD400 試樣磨損量最小，區(qū)別在于隨著滑動(dòng)速度的增加，高壓力下試樣磨損量的增加速度降低。

2.4 中部槽材料的耐磨性

為了進(jìn)一步探究16Mn、NM400 和HD400 三種中部槽材料的耐磨性能，設(shè)計(jì)了3 種磨損工況分別對(duì)試樣進(jìn)行了磨損試驗(yàn)。磨損工況的設(shè)定如下。

工況一（低壓低速）：滑動(dòng)速度為0.8 m/s，加載壓力為5 N，功率為4 N·m/s。

工況二（中壓中速）：滑動(dòng)速度為1.2 m/s，加載壓力為15 N，功率為18 N·m/s。

工況三（高壓高速）：滑動(dòng)速度為1.6 m/s，加載壓力為20 N，功率為32 N·m/s。

在上述工況下三種試樣的磨損量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 3 種試樣在不同工況下的磨損量（單位：mg）

由表2 數(shù)據(jù)可知，在工況相同情況下，16Mn 試樣的磨損量要明顯高于另外兩種試樣，說(shuō)明三種試樣材料中16Mn 的耐磨性最差。NM400 和HD400 在相同工況下的磨損量差距不明顯。在低壓、低速時(shí)HD400的耐磨性較好，在高壓、高速時(shí)HD400 的耐磨性較好。

結(jié)束語(yǔ)

在刮板輸送機(jī)運(yùn)行中，中部槽的材料、工況、結(jié)構(gòu)等因素都會(huì)對(duì)其磨損情況產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響使用壽命和使用成本。從中部槽金屬的對(duì)磨試驗(yàn)來(lái)看，NM400 和HD400 兩種材料的耐磨性較好，在更換部件時(shí)可以優(yōu)先考慮使用這兩種材質(zhì)的中部槽。此外，像加載壓力、滑動(dòng)速度、表面光滑度等也會(huì)對(duì)中部槽的磨損量有一定影響。在今后的設(shè)備使用與管理中，選擇硬度更高的材料，同時(shí)盡量避免超載輸送，保持滑動(dòng)速度適中，對(duì)延長(zhǎng)中部槽金屬使用壽命和降低刮板輸送機(jī)的維護(hù)成本有良好效果。