礦用挖掘機鏟斗的磨損數值分析研究

張林軍

（山西宏廈第一建設有限責任公司， 山西 陽泉 045000）

引言

用于生產挖掘機鏟斗的材料強度很大，在挖掘時足以承受研磨作用發生。但是，在大多數情況下，發現在很長一段時間后，磨損開始在桶的整個表面傳播。挖掘機鏟斗的磨損通常取決于研磨材料的性質。在這些復雜的情況下，沒有任何事先的觀察和實驗，很難預測挖掘機鏟斗的磨損率并可能在現場進行實驗造成觀測頻率不均勻的困難。

1 典型的無潤滑干滑動磨損

僅應用較硬的材料不是來保護挖掘機鏟斗免受磨損最佳的解決方案。最重要是通過改變底板的材料流動模式減小磨損。在挖掘時，當材料從一個流動桶的表面結束于另一個時，它會發現其路徑上有幾個磨損條，一旦材料遇到一個磨損條，它會停下來，直到下一個材料將其頂替，并從后面推向下一個磨損條，這樣可以消除滑動摩擦的缺點。

重型土方機械（HEMM）鏟斗用在挖掘機或鏟斗鏟斗中并受到挖掘作業影響，它可以挖掘覆蓋層（巖石碎片）或煤礦產品。因此，磨損發生在其底板、前部區域、側壁等。挖掘桶連接在斗桿（最長桿）的前端，也方便來回（向后和向前）運動并體現沖擊負荷、疲勞壓力、拉力和壓縮力等。這種未潤滑的磨損導致挖掘機鏟斗隨著時間的推移而停止服務。進入惡化狀態意味著各種底板和側壁位置、尺寸變化。劣化/磨損的原因可能是由于各種因素造成的摩擦、磨損、沖擊、疲勞、腐蝕、蠕變等滑異物顆粒對表面具有疲勞磨損的影響。

滾動磨損滑動情況下的摩擦系數也較高。在金屬近似值情況下，滑動情況下的摩擦系數為0.17。在干滑動磨損的情況下，材料去除率也較高。對于硬軋段，滾動摩擦系數相對較低，典型值介于0.01和0.001之間[1]。在干滑動磨損的情況下，大量的真正接觸相對表面之間的點可以大大減少。當相對的表面分開時，表面上只有較大的凹凸不平可以保持接觸。

2 工程性實驗及分析

2.1 測試設置及相關工作

整個實驗設置包括原型挖掘機鏟斗、1m長的軸和一個容器煤礦層（覆蓋層）。三塊板被用來構建原型的側壁和屋頂及沒有固定在原型底部的板。三個底部平板已分開制造（如圖1）并用于三種不同的工程實驗。

圖1 三個不同類型的工程實驗底部平板

三塊板中，兩塊板有不同的磨損模式，另一個是沒有任何磨損條。在每一個實驗中，底板都是焊接在原型上。實驗完成后，底板已被移除，并且另一底部板已焊接進行新的實驗。矩形磨損條是由截面為8.5 cm2的錳鋼制成通過電弧焊接到底板[2]。六個這樣的耐磨條在一個案例中垂直焊接，除了這六個之外垂直桿，另一組三個水平桿被焊接在第二種情況下。原軸固定在中心的下顎車床上。軸的另一側的軸承被安裝在中心車床的端頭。一個容器被放置在鏟斗和車床之間，包含不同大小的煤礦石芯片原型，這樣當車床開始時，原型就會開始在容器內旋轉并開始在礦石上挖掘。在這里，用石頭取代了煤礦層/覆蓋層芯片。

這個實驗的基本動機是衡量挖掘鏟的材料損失。在開始時，原模型先在充滿礦物質的容器中工作一段時間，由于磨損而在材料表面進行材料去除底板。為了測量材料損失，將在每個底板的不同區域進行測量。

2.2 工程性實驗的結果與數值分析

為了便于計算，整個板塊被虛擬分成四部分，即A、B、C和D部分。一切計算是通過相應的部分完成的，并取所有在該地區進行的測量的平均值。在實驗過程中，原型連續運轉在16～22 h[3]。

1）對于沒有磨損條的情況。該實驗已在底板上進行沒有任何磨損條來了解挖掘機鏟斗的原始表面磨損的影響。

2）垂直耐磨棒。在這個實驗中，使用單獨的底板。在這底板上，少量磨損條以垂直方式焊接。第一個實驗完成后，底板被從原型中移除，并且這個盤子具有垂直式磨損桿，已經焊接在原型上。

3）網狀磨損條。前兩個實驗完成后，最后一個使用具有網狀磨損棒圖案的底板。

在三組實驗成功完成后，進行比較分析。第一底板沒有磨損條表現出磨損率隨著時間的增加而嚴重增長。第二底板由垂直花紋磨損棒保護，顯示出磨損比第一塊底板少，但它也表現出較高的磨損。但是，在部分區域，固定磨損條后磨損率看起來更加均勻。第三個底板受到了在網狀模式下的保護，顯示出最好的磨損率結果。在第三種模式中，即使在觀察22 h后也未觀察到磨損區。

產生這些結果差異的原因是由于將滑動運動轉化為滾動運動。經過這三次觀察，可以說是板塊沒有磨損棒受到滑動/磨削的影響。磨損條的垂直模式也遭受了磨損，但是磨損率相對較低，因為垂直方向無法使用搖滾，因此，在此模式下也出現了大面積磨損。這種模式的另一個缺點是每個磨損條的前端會同時磨損。帶網格條紋圖案的板材非常不錯，可以有效地將滑動轉換為滾動，即使經過22 h的觀察，也發現無大面積磨損區。根據從中去除的底板材料量，磨損集中區已用不同顏色的輪廓所表示繪制在MATLAB編程。在表1中，重磨區以黑色表示，中等磨損和無磨損區域分別以灰和淺灰表示[4-5]。

表1 挖掘機鏟斗的磨損分析表

3 結論

整體分析可以得出，如果在底板中使用耐磨桿的網狀定向的挖掘機鏟斗，會降低材料磨損率，將有助于增加部件壽命和挖掘機的可用性，也減少了維護成本以及早期故障可能性。