刮板輸送機中板磨損性能的研究進展

柴金榮 葉 磊 范興帥 孫帥輝 李國華

(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院，北京市海淀區，100083)

我國是世界上最大的煤炭生產國和消費國。富煤、貧油、少氣的能源稟賦決定了煤炭在我國一次能源消費中占據重要地位。隨著煤礦的大型化、集約化和現代化發展，綜采技術成為煤礦現代化開采的重要技術。綜采技術是集支護、采煤、裝載、運輸等機械化作業為一體的生產技術，刮板輸送機是綜采技術中的關鍵設備。為了滿足大型高效集約化礦井的生產需求，需要刮板輸送機不斷向大運量、長運距、大功率、長壽命與高可靠性方向發展。目前，國內自主研發的刮板輸送機運量達到4000 t/h，設計長度達到400 m。

刮板輸送機的發展需求對其關鍵零部件提出了更高的要求。中板是刮板輸送機的主要部件，占機器總重量的2/3。在刮板輸送機實際工作中，中板受力情況復雜，并發生多種形式的磨損，主要包括磨粒磨損，粘著磨損和腐蝕磨損等。惡劣的工作環境使中板產生嚴重的磨損，因此中板成為影響刮板輸送機壽命的重要因素。

為了提高中板的使用壽命，滿足大運量刮板輸送機的發展需要，相關研究人員在中板的材料、磨損評價方法以及表面強化技術等方面進行了大量研究。本文將從上述3個方面對中板磨損的研究現狀進行分析，并展望中板磨損的研究趨勢，為大運量刮板輸送機的研發以及現有機型的改造升級提供參考。

1 中板材料研究現狀

中板材料最早使用的是16Mn合金鋼材料，過煤量平均為50～70萬t。由于刮板輸送機設備發展的需要，引進了具有高硬度且耐磨性較好的進口耐磨鋼Hardox450和JFE EH500等材料，這些材料的應用在一定程度上提高了刮板輸送機的使用壽命。

除合金鋼材料之外，一些學者還試圖采用其它材料來提高中板的耐磨性。劉鑒衛選用球墨鑄鐵TNZ作為中板的材料，比16Mn的耐磨性提高了1.2倍；梁立勛用改性MC尼龍制成的SGW-40T中板，這種中板重量約為現用金屬中板的1/4且具有耐磨損和耐腐蝕等特點。但是，這些材料并沒有得到廣泛應用。

2014年左右，一些學者將研究方向由中低合金馬貝相變強化型的耐磨鋼轉向中錳鋼(BTW)。中錳鋼中的Mn元素可以使鋼在室溫條件下較小沖擊載荷或接觸應力下發生馬氏體轉變。Wang Jian的研究結果表明，在低沖擊載荷下熱軋中錳鋼(Mn8)的沖擊磨損性能優于高錳鋼(Mn13)；葛世榮的研究結果表明中錳鋼磨損表面硬化層厚度約為1000 μm，硬度為52HRC，表現出優良的耐磨強化效果。形變誘發馬氏體相變是中錳耐磨鋼強化主要原因之一。

中錳鋼比進口耐磨鋼更經濟，且耐磨性優于Hardox450和NM360。BTW系列中錳鋼已在部分煤礦使用。實踐結果表明，BTW系列耐磨鋼在水峪煤礦、賀西煤礦、同發東周窯煤礦以及酸刺溝煤礦的使用壽命是NM360的4～5倍以及Hardox450的2倍，過煤量達到2000萬t。

BTW系列中錳鋼的出現有望將刮板輸送機的過煤量從1000萬t提高到2000萬t，中錳鋼因其具有形變誘導強化的特性以及性價比高的優勢，將成為中板的重要材料之一。高可靠性和高效率一直是機械設計追求的目標，未來中板材料的開發將會繼續向著抗磨、降低摩擦以及輕量化發展，從而提高設備效率和節約能源。

2 中板磨損評價研究現狀

刮板輸送機工作環境復雜，根據中板所處位置的不同，受力狀態也不同。在實際工作中，中板受礦石壓力、液壓支架的擠壓或液壓支架的拉力的作用，其磨損包括磨粒磨損、粘著磨損和腐蝕磨損等多種形式。近年來，為了更真實地模擬中板工作狀態下的磨損，找到更適合的磨損評價方法，相關研究人員對刮板輸送機進行了較多磨損方面的試驗研究，幾種代表性的評價方式分析如下：

(1)劉鳴放用ML-100銷盤型回轉式磨料磨損試驗機，對16Mn和4種等離子熔覆層分別在壓力20 N下進行磨粒磨損性能測試，用4種等離子熔覆層相對16Mn耐磨粒磨損性評價材料的耐磨性。試驗結果表明，含硼量為4.5%時耐磨性最好，相對耐磨性是基材的5.4倍。這種方法只考察了材料受壓狀態下的磨粒磨損性能，可以說明含硼量為4.5%的等離子熔覆層在受壓狀態下的磨粒磨損性能是這4種等離子熔覆層最好的，沒有考察其他磨損類型的協同作用。

(2)史志遠用MLS-225濕砂半自由磨料磨損試驗機對NM400板材與不同配比的煤炭、矸石及水的混合物料組成的摩擦副在不同的接觸壓力下進行磨料磨損試驗。接觸壓力根據刮板輸送機常用運料速度推算。這種試驗方法模擬了磨料磨損和腐蝕磨損同時作用下材料的磨損狀態。試驗中腐蝕環境和實際情況有所差別，并不能較好地模擬材料在井下腐蝕磨損的協同作用下的磨損。

(3)葛世榮用MLD-10型動載磨料磨損試驗機對中錳鋼BTW在不同沖擊力作用下進行磨粒磨損試驗，考察了中錳鋼BTW在有沖擊載荷作用時的磨粒磨損性能及自強化機理。這種試驗方法是目前比較接近落煤區中板的磨損狀態的試驗模擬方法。

(4)喬燕芳用MMU-10G高溫端面摩擦磨損試驗機對4種中板材料(作者在文中隱去了材料牌號)進行了高溫、高濕、高腐蝕環境下的磨粒磨損。試驗結果表明，由于腐蝕磨損的協同作用，材料在不同工況下表現出不同的磨損性能，在三體摩擦狀態下，國產新型耐磨鋼比進口耐磨鋼耐磨，而在腐蝕和磨粒共同存在的狀態下，進口耐磨鋼比國產新型耐磨鋼耐磨。但是試驗中用的腐蝕液是NaCl溶液，與實際礦水不符，也沒有模擬沖擊力作用。

上述中板磨損試驗方法受各自摩擦磨損試驗機的限制，均不能完全模擬中板實際工作時的受力狀況及磨損形式。因此，需要研制適用于全面模擬中板磨損的多功能摩擦磨損試驗機。另外，還缺少對磨損過程的在線監測及預測的方法和專用設備。

3 中板表面強化技術研究現狀

自20世紀80年代以來，相關專家在研制優質耐磨中板材料的同時還對中板進行了表面強化技術的研究。對中板的表面強化主要是利用噴焊、堆焊等表面強化技術在中板表面涂覆一層耐磨合金材料，使中板使用壽命提高2～4倍；這種方法與使用優質耐磨鋼相比成本較低。

中板表面強化技術的研究主要從中板耐磨堆焊的設備、堆焊焊條以及堆焊工藝等方面進行。鄭光海在16Mn表面感應熔覆鎳基WC涂層，耐磨性較16Mn鋼板提高近4倍。劉鳴放采用自主研發的IGS-600型手持式等離子表面熔覆設備, 在中板表面熔覆高硼Fe-Cr合金層, 相對耐磨性是基材的5.4倍，煤礦井下使用壽命延長了2～3倍；孫玉宗利用等離子熔覆強化技術對中板進行強化，延長使用壽命；遲利鋒提出中板磨損量較小時，可以對中板采用耐磨焊絲堆焊，同時對中板其他部位采用網格狀堆焊加強的方法修復，提高中板使用壽命，減少維修費用，節約開采成本；吳星在井下對工作面中板易磨損部位堆焊耐磨材料，使其恢復性能；張小鳳在神華寧煤集團用斷續菱形花紋焊道技術工藝對下井的一部分刮板輸送機的中板進行了耐磨強化，并在靈新煤礦進行了一年多的對比試驗。研究結果表明，堆焊后的中板使用壽命延長了1倍以上；王春華研究了手工電弧焊堆焊電流對16Mn中板堆焊層組織和性能的影響；馬忠昌經過試驗對比，研發一種含硼鈦鈣型藥皮交直流兩用的經濟型耐磨焊條，堆焊層相對耐磨性是16Mn的近5倍。

表面強化技術因其較好的經濟性，被廣大刮板輸送機生產企業使用，并被用于中板井下修復技術，在提高中板使用壽命、降低生產成本等方面，取得了較好的效果，但是強化后的中板使用壽命與高性能耐磨鋼還有一定差距。因此，需要研制出經濟實用的高性能耐磨合金焊條，并繼續探索中板強化工藝。

4 結語

(1)中板材料從采用低合金結構鋼16Mn到進口耐磨鋼Hardox450、JFE EH500等，再到新型國產BTW系列中錳鋼。過煤量從40萬t提升到1000萬t，BTW系列中錳鋼過煤量達到2000萬t。目前對中錳鋼的耐磨耐蝕性能研究較少，特別是需要進一步研究其腐蝕狀態下的耐磨性能。

(2)以往中板磨損評價方法試驗研究均不能全面模擬中板實際工作時的受力狀況及磨損形式，并缺少磨損在線監測及預測方法及配套設備。因此，需要研制適用于全面模擬中板磨損試驗的多功能摩擦磨損試驗機，以及在線監測及預測的方法及配套設備。

(3)表面強化技術具有較好的經濟優勢，易于實現對中板的現場修復，在一定程度上提高了中板的使用壽命，但是效果不如直接使用高性能耐磨鋼。因此，需要研制經濟實用的高性能耐磨合金焊條，以及繼續探索中板強化工藝。