礦山大型挖掘機斗齒磨損失效分析

劉 偉

（同煤集團機關事務處信息化管理科，山西 大同 037003）

引言

隨著機械作業的不斷發展，大型挖掘機的斗齒磨損失效現象在礦山中表現的越來越嚴重，極大地影響了挖掘機在礦山中的挖掘效率，增加了工程項目的成本輸出率，因此加強挖掘機在斗齒磨損方面的有效控制，是目前機械保養人員工作的關鍵［1］。

1 礦山大型挖掘機在挖掘中的斗齒磨損概況

1.1 礦山大型挖掘機材料

在進行礦山的挖掘時，挖掘機的斗齒材料通常使用高錳鋼進行制造，但是由于在礦山挖掘作業中，地理環境惡劣，挖掘機經常要對堅硬的礦石進行挖掘，這就加速了挖掘機斗齒磨損的速度，使得斗齒出現磨禿，進而出現斗齒失效現象，嚴重時，甚至發生斷裂現象。根據相關資料顯示，我國正在進行正常作業的大型礦山挖掘機大約有2 000～2 500臺，斗齒磨損帶來的經濟損失大約在3 000萬元／年。

斗齒材料可以分為兩種，第一種是低合金抗磨斗齒，材料成分如表1所示。從表格中可以看出其含碳量較少，因此斗齒的抗磨能力還不夠理

表1 低合金抗磨斗齒材料成分 %

想。而第二種材料是高硅強韌抗磨斗齒，雖然具有較強的韌性但是抗磨性不足。以上材料都具有局限性，而復合材料的斗齒主要選擇低合金白口鐵、高咯鑄鐵等抗磨性較好的材料，具有較好的實用價值。

1.2 挖掘機工藝設計

目前，我國的礦山大型挖掘機在設計上還不夠完善，由于受到傳統設計模式的影響，在摩擦力的深入設計方面并不成熟，還無法將先進的抗磨技術引入到挖掘機的應用之中。其中工藝上的不合理主要表現在以下幾個方面：一是選材的不合理，導致斗齒抗磨能力較低；二是懸臂結構設計的不合理，沒有從摩擦學的原理進行入手，根據礦山的實際地形，有針對性地做出相應的設計；三是對斗齒的韌性沒有做出具體的分析，導致斗齒磨損失效。

2 礦山大型挖掘機在挖掘中的斗齒磨損分析

2.1 斗齒磨損中作用力的分析

挖掘機的斗齒是進行挖掘的關鍵，斗齒尖在進行尖插入物以及涂料的推移中有著不可忽略的作用，因此斗齒的磨損程度將直接決定施工的質量以及施工的效率。在使用斗齒對礦山巖石進行挖掘時，需要注意以下幾點：第一，由于力的作用是相互的，必然會有反沖力出現，這就會對斗齒造成一定程度的磨損；第二，在進行物料的裝載過程中，必然要承受一定的彎矩，從而在挖掘作業過程中出現受損情況；第三，由于單位面積內齒尖承受的摩擦力越大，越容易受到磨損，因此要對齒尖的尖度作出改進。

2.2 斗齒磨損中材料的分析

在進行斗齒磨損失效的研究中，首先應當對其材料進行全面的分析。我國目前大多數礦山大型挖掘機斗齒所使用的制造材料為高錳鋼。在一些特殊情況下，偶爾會使用精鋼進行制造，根據相關數據顯示，高猛耐磨鋼在設計參數上有著較為嚴格的要求，其w（c）大約在0.9%～1.3%之間，w（Mn）大約在11%～14%之間。通常情況下，高錳在力的相互作用下，表面會逐漸產生明顯的硬化層，從而提高抗磨性能；而一些硬度較低的巖石，其整體性不夠強，很難形成硬化層。在這種情況下，高錳材料的硬化特性就很難發揮出來，因此要對材料進行合理的選擇。

2.3 斗齒磨損中表面的分析

一般情況下，斗齒制造材料與礦石會相互作用，因此在挖掘過程中，礦石的棱角必然會在斗齒的尖部相互摩擦，從而形成撞擊坑。長此以往，斗齒表面會形成變形層，其中金屬折疊性質的磨損變形層，是磨損程度較為嚴重的一種。對其磨損亞表層進行分析可知，磨損的現象通常在磨溝較深的表層出現，表現為亮白組織。該亮白層對斗齒機件有較大的破壞作用，使絕熱剪切層很容易出現塑性失穩等現象，從而導致金屬表面層的溫度不斷升高，使得鋼性材料逐漸軟化，加速斗齒的變形，如圖1斗齒磨損圖。

3 礦山大型挖掘機在挖掘中的斗齒抗磨措施

3.1 斗齒設計材料上的改進

在進行大型挖掘機斗齒的抗磨措施上，可以從材料選擇上進行相應的改變和突破。因為挖掘機要適應礦山的挖掘需求，因此斗齒的材料在硬度上要求很高，同時還要有較強的抗磨性。因此材料本身應當具有較好的韌性。

圖1 斗齒磨損

在進行斗齒的設計過程中，斗齒表面的相對滑度應當盡可能的保持在相對較快的速度，材料也應當具備高強度的性能。在工藝設計上通常采用兩種復合材料來進行材料性能的改造［3］。使用高錳鋼以及合金鋼兩種材料來進行復合，能極大程度的保證斗齒的硬度以及韌性，提高材料的抗磨能力，增加挖掘機的使用壽命。

3.2 斗齒耐磨抗旱處理

由于高錳與合金鋼的復合材料具有較強的韌性，因此可以在表面進行堆焊硬度十分強的耐磨合金，使斗齒的表面強度大幅度提高，從而獲得較為理想的斗齒。因在抗旱處理過程中具有較強的原則性，在材料上應當選擇硬度高、耐磨性好的堆焊合金。如果礦山巖石強度不高，可以選擇奧氏體錳鋼堆焊合金。根據相關研究發現，高饹銘鑄鐵合金相對于高錳鋼材料，具有更強的耐磨性，在進行新斗齒的制造以及舊斗齒的修復時，都是使用高饹鐵合金或者是馬氏體鑄鐵合金。在進行修復處理時，可以對舊斗齒齒尖進行乙炔火焰的齊切，用留下一定的坡口，然后使用奧氏體鋼錳焊條對原形態做出相應的處理，最后對表面進行堆焊處理，提高礦山大型挖掘機的抗磨能力。

3.3 斗齒工藝結構的優化

斗齒磨損失效的很多原因是工藝結構的設計不合理造成的，尤其是在整體結構和零件結構方面表現的尤為突出。例如，4m3的電鏟斗齒在長期的挖掘中很容易受損，使用壽命也較為低下，嚴重影響了施工的效率，因此要提高斗齒的抗磨能力，就要從其原形態進行改變。在整體結構方面，可以在斗齒的下部挖出一個長槽，然后在適當的部位放上金屬，增加斗齒的長度。不但能夠增加其金屬磨損的有效數量，也改變了礦石與零件之間接觸時力流，有效提高了其抗磨的程度。在零件結構方面，可以將長槽改變為圓孔，不僅能夠達到抗磨的效果，還能改善應力集中的現象。合理設計斗唇斗齒以及斗齒角度，如果斗齒角度過大則會增加其彎曲沖擊應力，從而造成斗齒的折斷。如果斗齒夾角過小則會引起斗齒與磨面的相對運動，從而導致磨損失效。因此在設計時，應當根據挖掘機操作的地域進行相應的設計，將其角度調整到最佳，既能減少設備的能耗，也能減少斗齒磨損。要對有磨損潤滑以及無磨損潤滑進行全面的設計，同時要針對力的作用以及力流方向的相互改善作出結構上的改進。圖2為改進前后工藝設計對比圖。

改進后的斗齒力矩變長，而齒尖的尖度變平，這樣就能減少單位面積內齒尖所承受的摩擦力以及壓力，從根本上解決斗齒磨損失效的問題。

4 結語

礦山大型挖掘機在使用中容易受到磨損，這是很難避免的，但是設計者可以采取相應的措施來不斷改善其受磨損的程度，增加使用壽命，提高運行效率。在改善時，設計者應當從實際情況出發，對其結構、材料都要做出相應變化，以此來提高其抗磨性，必要時可以對其表面進行抗旱處理。同時設計者應當合理選材，做好表面處理，不斷提高礦山大型挖掘機斗齒的抗磨能力。

圖2 改進前后工藝設計對比（mm）

［1］ 郭紅，劉英，李衛，等.挖掘機斗齒的磨損機制與選材研究［J］.材料導報，2014（7）：99－103.

［2］ 楊烈，李奇林.挖掘機斗齒結構改進及分析［J］.工程機械，2010，41（12）：12－19.

［3］ 周志丹，陳烜，劉金龍，等.提高挖掘機斗齒壽命的研究現狀和發展［J］.煤礦機械，2011，32（3）：120－156.