高可靠性中部槽制造工藝研究

樊建軍，劉 俊，李建華

(山西煤礦機械制造有限責任公司，太原030031)

隨著我國“一礦一面、一個采區、一條生產線”的高效集約化生產模式的出現，大采高采煤工作面可實現年產1 000萬噸以上。年產千萬噸級綜采工作面對輸送系統的元部件可靠性提出了更高要求。中部槽作為超重型刮板輸送機物料及采煤機的承載單元，是全套輸送設備使用量和消耗量最大的部件[1]。目前，國產鑄焊中部槽過煤量只有500萬噸左右，不到國外中部槽使用壽命的一半，中部槽過快報廢和頻繁更換嚴重制約了煤炭生產企業的經濟效益[2]，所以研制高可靠性中部槽具有重要的意義和價值。

1 中部槽磨損失效

在工作過程中，刮板輸送機鏈條由電機牽引與刮板一起帶著物料在中部槽內移動。中部槽的磨損主要是物料(煤及矸石)、刮板和鏈條對中板及槽幫的磨損，以及采煤機沿中部槽移動時造成的槽幫上翼磨損。按設計要求，兩相鄰中部槽水平偏轉角和垂直平面的彎曲傾角不應超過3°[3]，而實際上由于地面不平整等原因，往往鋪設角度超過以上規定，這樣便使鏈條在運行過程中與槽幫和中板的接觸壓力增大，加速了中板和槽幫的磨損，同時又增加了機電事故的發生。所以，槽幫和中板的過快磨損失效是中部槽報廢的主要原因。

2 高可靠性中部槽制造工藝

2.1 新型槽幫材料

目前，對于鑄焊型刮板輸送機，國內均采用ZG30MnSi鑄造槽幫，包括國外的JOY公司等。此材料使用歷史較長，制造工藝比較簡單，性能基本穩定。但是其強度、耐磨性等機械性能相對較差，使用壽命較短，過煤量一般為500萬噸左右，圖1為槽幫失效示意圖。

為了提高槽幫材料的使用性能，經過反復試驗，研發了一種新型的低碳高合金槽幫鑄鋼，替代傳統使用的ZG30MnSi.新材料具有更高的強度、韌性、耐磨性和良好的焊接性能及機械加工性能。其化學成分如表1所示。

表1 新槽幫材料的化學成分Tab.1 Chemical compositions of the new groove side

圖1 槽幫失效Fig.1 Invalid groove side

試驗表明:C含量越高，材料的強度越高，但是塑性和韌度將受到很大的影響，同時降低了焊接性能。為了保證材料良好的綜合力學性能，新材料嚴格控制了C含量，而提高強度和韌性則通過加入合金元素和優化熱處理工藝來實現。Si和Mn等元素在一定條件下對鐵素體有較強的固溶強化作用，有利于提高新材料的韌性和耐磨性[4];Cr可以阻止碳化物的分解，增加材料的淬透性，并有二次硬化的效果;Mo具有細化晶粒，提高耐磨性的作用。新材料與ZG30MnSi性能對比情況如表2所示。

表2 槽幫新材料力學性能Tab.2 Mechanical properties of the new groove side

2.2 中板成型

2.2.1 中板材料

結合中部槽使用工況分析，中板必須是:高耐磨、高強度、易加工、焊接性好。目前材料多選用國產Q345和NM360等，厚度采用30 mm、40 mm、45 mm、50 mm幾種形式。但是國產耐磨板材現已很難滿足中板性能要求，例如受到技術設備等因素制約，δ 40以上的耐磨板國內很少生產，且板的表面質量、焊接性能、加工性能及耐磨性都不如國外產品。近年來山西煤礦機械制造有限責任公司高可靠性中部槽中板均采用進口K400或K450等，取得了很好的應用效果。表3為進口 K400和國產NM360機械性能的對比。

表3 中板材料對比Tab.3 Comparison of the central plates

2.2.2 坡口形式

中板同槽幫焊接所需要加工的坡口形式是影響兩者焊接質量及強度的一個重要因素，一般中板采用K型的坡口。板厚不同，K型坡口的加工方式也不同。圖2為不同板厚K型坡口的加工形式。

2.2.3 焊接工藝

中部槽中底板的焊接目前多采用手工半自動CO2氣體保護焊，成型不美觀，焊接質量差，效率低[5]。為了解決上述問題，研發了一種新型的中部槽焊接系統。該系統為龍門式雙主柱三軸運動控制系統，采用德國CLOOS雙絲雙槍TANDEM焊接方式和焊前預熱、焊后保溫等工藝措施，明顯提高了焊接速度和焊接強度。TANDEM雙絲焊工作原理如圖3所示。

由于雙絲焊總的熱輸入高于單絲焊，前者為12 kJ/cm，后者為8 kJ/cm，其既可以保證熔深，又可以避免熔池中的液態金屬產生過熱現象，同時由于電弧的攪拌作用，使焊縫氣孔的生成率明顯下降，從而保證了焊縫的強度和外觀質量[6]。

2.3 關鍵尺寸加工

為了保證中部槽對接時槽幫端頭和中底板定位的可靠，對其關鍵尺寸采用整體焊后加工的方法，利用9種專用刀具進行數控成型。實驗表明:此工藝方法加工后的中部槽對接時上下及左右錯口量≤1.5 mm，精度達到國家標準要求的兩倍(國家標準要求中部槽對接上下及左右錯口量≤3.0 mm)。

圖2 中板坡口形式Fig.2 Configuration of groove in central plate

圖3 中部槽焊接Fig.3 The welding of central trough

圖4 整體焊后加工關鍵尺寸Fig.4 Crucial sizing treatments after welding

3 應用實例

十一五期間，山西煤礦機械制造有限責任公司承擔了國家科技支撐項目“年產千萬噸級綜采工作面運輸系統關鍵技術研究及配套設備開發”。其成套輸送設備于2010年8月至2011年7月在山西西山煤電晉興能源公司斜溝礦18105綜采工作面進行了井下工業性試驗。結果表明，刮板輸送機中部槽(圖5)整體性能可靠，強度高，試采期間中部槽未出現槽幫斷裂、中板坍塌等現象，工作面實現了最高月產87.6萬噸，最高日產3.6萬噸的目標。

圖5 高可靠性中部槽Fig.5 Central trough with high reliability

5 結論

(1)研發低碳高合金鑄造新型槽幫材料，提高了耐磨性和中部槽使用壽命;

(2)研制新型中部槽焊接系統、采用合適的焊接工藝和方法，提高中板焊接效率和焊接強度。

(3)采用整體焊后加工關鍵尺寸，保證相鄰中部槽上下及左右錯口量≤1.5 mm.

[1]賈會會.刮板輸送機中部槽的研究現狀及發展趨勢[J].礦山機械，2010(5):13-16.

[2]張超軍，張志民，王宏洋.刮板輸送機中部槽的耐磨處理[J].煤礦機械，2007(6):109-110.

[3]徐廣明，楊偉紅.刮板輸送機運行阻力計算分析[J].煤礦機械，2009(1):3-5.

[4]楊國正.槽幫鋼熱處理工藝探討[J].機械工人，2003(12):21-22.

[5]趙異萍，戴柏林，孫明山.Q235鋼CO2氣體保護焊與手工電弧焊的工藝對比[J].太原重型機械學院學報，1997(2):27-31.

[6]韓金明，魏占靜，李少農.刮板輸送機中部槽TANDEM雙絲焊工藝研究與應用[J].現代焊接，2006(1):52-53.