煤礦主井箕斗耐磨研制技術的探討

石松林

淮北礦業集團臨渙煤礦機電科，安徽 淮北 235136

煤礦主井箕斗耐磨研制技術的探討

石松林

淮北礦業集團臨渙煤礦機電科，安徽 淮北 235136

針對煤礦普通材料制作的箕斗在生產過程中遇到的問題，提出對主井耐磨箕斗采用耐磨研制技術，此技術采用高強度新型材料設計和制造箕斗，并通過長期的現場實踐經驗和相對成熟的理論研究相結合，進行模擬實驗分析箕斗壁的應力和變形、失效狀態，從而更加合理的設計箕斗結構。

主井箕斗；耐磨研制；應力分析；前景廣泛

Main shaft skip; Wear-resisting development; Stress analysis; prospect

1 背景和意義

箕斗是礦井提升的主要容器和載體，在提升工作中箕斗將承受來自煤塊和矸石的沖擊和磨損。目前，國內主井提升所用箕斗均采用普通的碳素結構鋼加工制作，由于工況條件差，受煤塊和矸石沖擊和磨損嚴重，正常使用年限較短，一般使用年限不超過2年。而且，由于國內采煤工藝和技術的進步，礦井基本采用綜采機械化生產，原煤含矸石率較高，對生產系統的設施要求也相應地提高，要求提升系統有較強的抗沖擊、抗磨損能力。目前，國內還沒有推廣使用抗沖擊、抗磨損箕斗。為適應實際工況要求，提高提煤效率和效益，煤礦主井采用抗沖擊、耐磨損的高強度箕斗是十分有必要的。新型箕斗的使用可以大大延長提升箕斗的更換周期，減少了提升設備的費用投入，經濟效益十分可觀，具有廣闊的推廣前景。

2 現有箕斗存在的問題

現在的礦井生產中，為了提高提煤效率，大容量箕斗越來越普及，因此，減少箕斗自重、提高箕斗有效荷載量顯得越來越重要。因此，為了滿足箕斗的安全性，我們有必要采用高強度新型材料設計和制造箕斗，同時需要了解箕斗壁的應力（變形）分布規律，從而更加合理的設計箕斗結構。由于箕斗受力和結構本身的復雜性，用純理論的方法分析其應力狀態，在目前的理論水平上還很難得到理想和精確的結果。而采用現場實驗方法，在現場建立實驗平臺進行所需的實驗成本高昂，而且存在許多不安全因素。因此，如果能將長期的現場實踐經驗和相對成熟的理論研究相結合，進行模擬實驗分析箕斗壁的應力和變形、失效狀態，則可以得到一種可靠、可行的分析結果，并可以作為日后設計和改進箕斗的重要參考數據。以下為我們采用計算機建模，進行模擬實驗分析所得相關數據：

圖1 箕斗計算力學模型 圖2箕斗模擬變形圖

圖3 框架應力分布圖

圖4 斗箱應力分布圖

從上述箕斗變形圖和應力分布圖可以看出，箕斗斗箱的側壁和后壁所受的應力最大，且應力變化幅度大，框架的一些點（與斗箱接觸處附近）的變形量也較大。箕斗在實際工作中，正對著裝載溜槽的斗箱壁，在裝載時承受很大的來自煤塊和矸石的沖擊載荷，在卸載時要受到一定的磨損。斗箱底板的上表面在裝載初期也承受一定的沖擊載荷，在卸載時受到很大的磨損。理論與現場實踐均可看出箕斗的這兩個部位是最容易出現破壞而失效的，在箕斗的設計與制造中應該重點考慮這兩個關鍵部件的剛度和強度要求。

箕斗裝載時，箕斗斗箱壁和箕斗斗箱底板承受的沖擊屬于多次沖擊疲勞問題。在近似計算中，當沖擊次數大于1000次時，用相似于疲勞的方法計算強度。

通常情況下，箕斗在強度和剛度上均能滿足使用要求，但各部位的變形和應力水平相差很大，有些關鍵部位需要提高其強度，增加其抗沖擊能力和耐磨能力。箕斗結構上局部剛度設計不合理，往往會引起某些部位的應力集中，為了避免這類情況，設計和制造時需要考慮各構件的剛度協調性。

箕斗斗箱在裝滿散裝物時，其內壁的壓力分布不像均勻液體那樣呈線性分布，它隨煤塊或矸石的粒度、濕度、均勻性以及內摩擦力的不同而不同。因此，準確地確定其壓力分布是不現實的，根據大量的經驗可以得到近似的計算方法。斗箱側壓力可以采用下式進行計算：

式中：R—— 水力半徑，R=截面積/周邊長，cm；

?—— 煤塊或矸石的比重，k N/ cm3；

f1—— 煤塊或矸石對箱壁的摩擦系數；

z—— 自斗箱上緣算起的深度，cm。

斗箱的底部斜壁壓力可按下式計算：

式中：α—— 箱壁的斜角；其余同上。

3 提高箕斗抗沖擊性和耐磨性的相關措施

3.1 結合上一部分的分析，可以對剛度要求比較高，承受沖擊力較大的部分采用高強度焊接結構鋼15M n V T i（俗稱HG70）進行設計制造。主要包括框架立柱、斗箱壁等，以保證這些重要部分有足夠的抗沖擊性，在工作中變形盡可能的小。高強度焊接結構鋼15MnVTi,具有高強度,高韌性,良好的冷成型和焊接性能，具有較好的抗腐蝕和耐磨性能和良好的抗疲勞性能。和傳統的碳素結構鋼Q235相比，15MnVTi的硬度和強度都有很大的提高。Q235的沖擊韌性值，沖擊功，布氏硬度為130～180。而15M n V T i高強度結構鋼的沖擊功，硬度也遠大于Q235。可見，15MnVTi高強度結構鋼的抗沖擊性和耐磨性遠優于傳統的碳素結構鋼Q235。同時，15MnVTi高強度結構鋼具有良好的焊接性能，其硬度、強度、塑性和韌性均滿足本次箕斗改造的要求。箕斗的斗箱主要是由鋼板焊接而成，對焊縫和焊接性能有較高的要求。使用15MnVTi高強度結構鋼焊接加工箕斗斗箱，可以保證焊縫處的強度和剛度要求，進而提高箕斗斗箱的整體可靠性，這一點是傳統的碳素結構鋼Q235所無法比擬的。

3.2 在斗箱壁內側鉚接8～12mm左右厚的15MnVTi高強度結構鋼作為耐磨襯板，如果對箕斗自身重量要求比較嚴格，可以只在受沖擊和磨損較大的兩個面添加15MnVTi襯板。如果箕斗重量富足量大，則可以在斗箱的所有內壁上添加15MnVTi耐磨襯板。15MnVTi襯板的平均布氏硬度達到400左右（是傳統的碳素結構鋼Q235的兩倍多），屈服強度達到460MPa以上（是傳統的碳素結構鋼Q235的兩倍）。可見，對斗箱壁內側鉚接15MnVTi襯板，可以顯著提高箕斗斗箱的耐磨性和抗沖擊性，提高了箕斗的可靠性和使用壽命，在經濟性和安全性上都有了很大的提升。

3.3 在材料的采購方面要嚴把質量關，購買正規廠家的優質鋼材，出廠前要進行必要的測試，確保加工原料的質量。同時，箕斗加工完成后也要進行嚴格的測試，測試標準要高于傳統的箕斗，從而保證生產的箕斗的可靠性。

3.4 箕斗設計和加工中要盡量考慮其工藝性，對箕斗結構進行優化設計，使箕斗的主要受力面受力和應變均勻，避免應力集中。考慮箕斗的剛度協調性，避免局部位置變形量多大，從而影響箕斗的整體性能。提高箕斗的加工精度、改進加工工藝，保證箕斗的各個零部件都滿足設計要求。如果條件允許，可以利用先進的計算機技術對關鍵零部件進行有限元分析，實現關鍵零部件的優化設計，并進行必要的模擬演示和分析。

4 效果效益分析

采用普通材料箕斗使用年限平均1.5年，箕斗（12T）單價30萬元；該項目實施后，箕斗單價約35萬元，使用年限達到4年以上，為企業年節約設備費用11.25萬元，每次更換箕斗需用3天，若以礦井每天原煤產量6500T計算，原煤價格480元/噸，檢修影響產量6500/1.5=4333.33T，價值4333.33x480=207.9984萬元，每年為單位創造效益：11.25+207.9984=219.2484萬元，經濟效益十分可觀。

Discussion of Wear-resisting development technology of Skip the mine's main shaft

Shi Songlin
HuaiBei Mining (Group) Co.,Ltd., Huaibei 235136,China

Based on the ordinary materials with coal in the production process skip, and puts forward the problems of the main shaft wear-resisting skip is wearresistant developed technology USES high strength technology, the new material design and manufacturing skip, and through long-term scene practice experience and relatively mature theoretical research, combining simulation analysis skip wall stress and deformation and failure condition, and therefore more reasonable design skip structure.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.073

石松林（1982-），男，助理工程師。2006年畢業于安徽理工大學機械設計制造專業（學士學位），現在淮北礦業集團臨渙煤礦從事生產技術工作。