掘進機關鍵部件材料應用現狀與發展趨勢

譚君海

（山西潞安礦業集團公司常村煤礦，山西長治046102）

引言

在掘進機工作過程中，若遇到的載荷為復雜突變載荷，這種載荷易引發掘進機發生劇烈振動、部分部件出現疲勞損壞甚至斷裂。掘進機各工作機構受力相互影響、部分關鍵零部件存在設計缺陷、加工精度不達標、熱處理不合格、工作時磨損嚴重、密封件密封不良、潤滑件潤滑不充分等，都易引發掘進機發生損壞，而從掘進機關鍵部件材料性能與重要結構失效等方面著手研究，可有效提高掘進機各部件性能，加速掘進機的升級換代，以便更好地服務于礦井掘進施工。

1 機械傳動部件

1.1 傳動部件材料應用現狀

在實際生產中掘進機時常需要低速重載運行，實施掘進作業時，需經受矸石沖擊及包裹體沖擊等，有時巷道底板也會十分不穩定，這就要求掘進機必須具有安全、可靠、穩定且密封性能良好的截割系統與行走傳動系統。

當前人們用低碳合金鋼材料來制作掘進機行星齒輪的較多，如18Cr2Ni4WA材料以及20Cr2Ni4A材料等，經一系列滲碳淬火處理作業后，其心部強度也會很強，沖擊韌性也可達到很高，并且也能具有很高的硬度；同時會用42CrMo材料與40Cr材料來充當齒輪內齒圈材料，這些材料經氮化處理后，其表面硬度也可達到很高；通常用40Cr調質鋼材料來制作傳動軸[1]。

1.2 傳動部件材料的失效分析

齒輪的折斷、齒面的點蝕以及軸斷裂等是傳動零部件的主要失效形式。之所以易出現上述失效現象其原因主要有：

1）熱處理工藝不達標，采用傳統的滲碳淬火工藝進行加工作業時，易發生較大變形，再經精加工后其碳層厚度很難分布均勻，部分部位碳層可能會過薄，以致對齒輪壽命造成影響；

2）材料質量沒有很好的穩定性，材料存在過多雜質，其內部晶粒分布不均勻，在進行鍛造作業時，易形成鍛造缺陷或造成應力集中現象，若遇到重載情況，易形成斷裂事故等。

1.3 傳動部件發展趨勢

1）應用低溫熱處理技術來進一步控制傳動部件熱處理變形。如采用稀土碳氮技術可使滲碳溫度降低來對傳動部件熱處理變形進行控制。

2）復合表面處理?？砂延不瘜酉敕皆O法地覆蓋于軟基體上，來使傳動部件表面更強、更硬、更耐磨。如可進行氮化加Tin涂層以及CrN涂層進行處理，電鍍Cr離子進行氮化或采用離子碳氮共滲技術進行處理。讓軟基體上先變為一層硬基底層，然后再進一步覆蓋軟鍍層，這樣不但能確保齒輪強度達標，而且能有效改善摩擦性能，大幅延長齒輪壽命[2]。

3）使用新材料?？砂妖X輪滲碳鋼換為超高強度的硬化鋼，這樣不但能進一步延長齒輪壽命，而且能大幅減輕齒輪質量。努力開發含碳量低，含Cr、Mo、Ni高的低碳合金鋼[3]。

2 結構部件

2.1 結構部件材料應用現狀

截割頭、裝運機構、行走架、本體架、履帶板等這些為掘進機的主要結構部件。就掘進機工程應用現狀而言，截割頭是最易破壞的結構件，其次為轉運機構、回轉機構等，這些結構件大多易出現磨損，發生開焊以及形成疲勞斷裂破壞等。

截齒截割巷道斷面主要是在截割頭的旋轉與擺動作用下完成的，人們常用42CrMo材料來制作截齒與齒座，該種材料在經熱處理后能達到很高強度與很強的韌性，能很好地滿足掘進機截齒與齒座工作需求。用16Mn來制作基體，可使基體具有良好的可焊性，可很好地彌補進行齒座焊接時，造成的應力過度集中現象。掘進機截割好的物料主要通過裝運機構中部槽進行運輸，要求人們必須重視提高掘進機裝運機構中板耐磨性。當前人們主要應用高強度耐磨鋼板來制作掘進機中部槽來提高其耐磨性，如NM360材料就是一種較常用的材料，這種材料強度高、耐磨性能好、韌性好，且易焊接，易進行機械加工[4]。

懸臂式掘進機的另一重要部件為回轉機構，掘進機回轉機構結構設計的合理與否、材料選取的恰當與否以及熱處理工藝的科學與否等都會直接影響到機器性能。當前ZG270-500材料與ZG25Mn2材料是國內很多掘進機在制作回轉體時主要用到的鑄造材料。以上這兩種材料的強度以及塑性都相對較好，鑄造性能也較好，且也較易焊接[5]。

2.2 結構部件材料失效分析

掘進機截割部截齒在截割煤巖時，不僅需承受較大的剪應力與壓應力，而且需經受沖擊載荷作用，如堅硬的瘤鐵核沖擊，粗大的石英晶粒沖擊等，同時還會伴有劇烈摩擦以及經受局部高溫作用。在實際生產中，通過統計多個煤礦截齒的失效形式發現磨損嚴重、硬質合金頭發生脫落、合金頭出現崩裂、剝落以及齒體發生彎曲、折斷等。

對于刮板鏈而言，其失效形式大多為斷鏈。刮板鏈在工作時，一方面需承受劇烈摩擦，另一方面需承受的靜載荷與動載荷也相對較大，同時礦井積水也會侵蝕鏈條。此外，鏈輪工作時，需承受的脈動載荷與沖擊作用也相對較大，鏈輪易發生磨損失效，鏈輪熱處理方法的不科學、不合理，造成其淬火硬度偏低使其易發生磨損失效的一重要原因。

回轉體發生疲勞破壞甚至發生斷裂現象，回轉體發生上述故障大多是由于截割時的動應力與沖擊作用于回轉體使回轉體發生損壞。對回轉體自身而言，其也存在鑄造缺陷，熱處理不當，致使工件機械性能不達標等。

2.3 結構部件先進技術應用

對于鎬型截齒而言，其主要由三部分組成，分別是刀頭、齒頭以及齒柄，這幾部分需使用硬質合金材料，具體可借助釬焊工藝把硬質合金刀頭想方設法的嵌入齒體進行連接。截齒在工作過程中經常需承受較大載荷，易發生嚴重磨損，刀頭易發生脫落[6]。對此，可通過堆焊一堆焊層于嵌入合金刀頭四周，就相當于裝設了一圈鎧甲來加固齒體薄弱環節，這樣可有效延長齒體使用壽命。

3 密封部件

由于掘進機作業環境惡劣，工作時需經受高濃度的粉塵、強烈酸性氣體以及水的侵蝕作用，因此必須做好掘進機傳動系統以及液壓系統部分關鍵元件的密封工作。當前O型密封圈密封、油封以及浮動密封等是掘進機主要應用的幾種密封。

機械傳動密封現狀及趨勢就各種密封應用情況而言，應用最廣泛，最受人們歡迎的是擠壓型密封，尤其以O型圈密封應用最多。在改進密封件時，應本著提高密封耐壓能力，有效降低其摩擦力，使密封件更穩定、更可靠為原則。

旋轉軸唇密封具有很多品種，通常用丁啨橡膠材料來做其密封唇，另外，常用聚丙酸脂橡膠材料以及硅橡膠材料等來做油封。掘進機在進行掘進作業時，很多因素都會影響到油封密封性以及油封使用壽命。對此，可通過開發部分特種彈性體來代替各種低性能耐油橡膠。可在橡膠表面開展各種低摩擦化改性處理，這樣可有效提高油封使用性能，起到更好的密封作用。

浮動密封屬于一種緊湊型密封，其較適合應用于低速重載場合。在掘進機很多部位都使用了該種密封。如截割懸臂、刮板機鏈輪以及驅動裝置等處都有應用。為有效提高浮封環強度，應盡量選用含鉻、鉬、鎳元素相對較高的合金材料來制作浮封環，另外還應重視對浮封環進行整體硬化處理與表面硬化處理，這樣制作出的浮封環會更耐磨。

4 結語

傳動部件、結構部件以及密封部件等都是掘進機正常生產必不可少的部件，通過對這些部件所用材料應用現狀及失效形式的分析，并在綜合各種新技術、新材料以及新工藝的基礎上研究其發展趨勢，有助于提升掘進機關鍵部件質量，改善掘進機整體性能，促進煤礦掘進工作的高產、高效，進一步提高企業經濟效益。

[1]楊春海.掘進機材料選擇及工藝優化設計[J].煤炭技術，2015（11）：45-48.

[2]宋庭鋒.礦用設備齒輪箱齒輪材料的選取[J].煤礦機械，2011（32）：104-105.

[3]趙進所，趙越超.20CrNi2Mo鋼重載齒輪應用的研究[J].金屬熱處理，2014（3）：32-36.

[4]李文.淺談煤礦機械傳動齒輪損壞原因及改進方法[J].山西焦煤科技，2013（3）：23-25.

[5]張汝春，張文博S200M型掘進機回轉臺鑄造工藝探討[J].煤礦機械2013（7）：64-66.

[6]劉翠現.有效防止煤礦機械磨損的方法[J].能源與節能，2014（5）：87-88.