中部槽磨損失效分析及抗磨措施研究

祁圣凱，黎文強，馬宗彬，韓光普

(河南省煤科院耐磨技術有限公司，河南 鄭州 450001)

煤炭工業是關系著國家經濟和國民生活的重要基礎產業，合理高效的煤炭開采和運輸是煤炭行業發展的主要方向[1]。刮板輸送機是煤礦機械化開采的核心設備，而中部槽作為刮板輸送機最重要的組成部分，在運行過程中，既要作為運輸煤料的載體，同時又是采煤機運行的軌道，其質量和壽命直接決定了采煤系統的綜采能力[2]。由于中部槽自身的工作特性，加上井下惡劣的工況環境，在運行過程中會與煤料、鏈條和刮板產生劇烈摩擦，還要承受部分大石塊和煤塊的沖擊，使其成為使用量和消耗量最大的部件。中部槽磨損失效不僅會降低煤炭開采的效率，浪費大量的資源，嚴重的還會導致事故頻發，帶來安全問題。因此，中部槽的強度、可靠性和使用壽命是衡量綜采裝備質量的重要指標。對中部槽進行失效分析，結合煤礦井下工作環境，分析中部槽磨損失效機理，找出影響中部槽磨損嚴重程度的因素，并提出合理切實的措施，有效提高中部槽的耐磨性，降低中部槽磨損失效率，減少了維修時間和次數，也保證了采煤工作的安全性和高效性。

1 中部槽磨損失效機理

中部槽的磨損是由多種原因造成的，是一個復雜的過程。刮板輸送機在生產運行過程中，中部槽會與開采的煤料、刮板和鏈條長時間相互作用產生磨損，且煤料中一般含有較多的雜質，部分雜質的硬度較高，對中部槽的磨損產生很大的影響，在復雜的工作環境下，承受不止一種形式的磨損，有磨粒磨損、腐蝕磨損、黏著磨損和疲勞磨損[3]，4種磨損形式的磨損在整個過程中存在，且磨損過程各不相同，中部槽磨損情況如圖1所示。對各個磨損種類進行分析，有利于改進中部槽的性能，并能結合工況現場磨損情況提出對應的抗磨措施。

圖1 中部槽磨損情況Fig.1 Wear of the middle groove

1.1 磨粒磨損

煤料開采后有部分細小的煤顆粒和煤矸石顆粒會殘留在刮板、鏈條和中部槽的間隙處，隨著刮板和鏈條的運行，部分硬質顆粒會對中部槽產生微切削和刮擦，造成磨粒磨損[4]，這種硬質顆粒存在于相互作用的材料之間參與磨損是三體磨粒磨損，中部槽上分布的刮板在運行過程中也會對中部槽產生磨粒磨損，兩者互相摩擦，刮板沿著中部槽不斷移動造成的磨損成為二體磨粒磨損。2種磨損形式同時存在，使得中部槽表面產生較多細小的犁溝，長時間作用下，切削會逐漸積累發生塑性變形，在刮板和鏈條的反復作用下，容易產生裂紋，導致磨損加劇。

1.2 腐蝕磨損

煤礦井下開采環境濕度較大，煤炭開采中會產生較多SO2、CO2等腐蝕性氣體，再加上各種粉塵，使中部槽使用環境酸堿度偏高，屬于腐蝕性介質，極易銹蝕中部槽表層，銹蝕后又被后續磨粒等磨掉，磨損過的表面更易氧化生銹，加速了中部槽的失效[5]。中部槽微裂紋形成后，部分離子等雜質極易進入這些裂紋，加快裂紋的擴展，且在裂紋處產生銹蝕，加速了中部槽的損壞。

1.3 黏著磨損

刮板輸送機在運行過程中，中部槽和刮板、鏈條的接觸只是部分凸起之間相互接觸，相互接觸面積較小，當各自承載后作用在接觸部位的壓力很大，隨著相對運動的不斷進行，中部槽和鏈環之間的如煤粉和氧化膜等隔離膜逐漸消失，使得部分凸起表面溫度因摩擦急劇升高，甚至出現熔化現象，在多重壓力下鏈條繼續運行，會使這些熔化處發生撕裂，產生黏著磨損。

1.4 疲勞磨損

煤礦開采過程中，煤料和部分石塊等固體會掉落，以一定的角度和速度對中部槽產生沖擊，當一次沖擊時，中部槽表面材料由于具有延展性不會遭到損壞，作為煤料運輸的承載部分，中部槽長時間工作過程中要經受煤料、鏈條和刮板若干次的沖擊和磨損，位于中部槽內部應力集中處的裂紋源，在不斷的摩擦、沖擊下形成裂紋，裂紋在后續的磨損過程中不斷擴展，導致疲勞斷裂，中部槽表面材料發生疲勞磨損，進而從表面脫落。

2 中部槽磨損失效主要影響因素

2.1 工況環境的影響

不同煤礦開采的煤料性質差別較大，且中部槽的工作環境也有很大的區別。不同煤礦開采的煤料顆粒大小不同，煤料的顆粒越小，對中部槽的磨損程度越小，且小顆粒煤料對中部槽的沖擊作用也較小[6]；煤料的含矸率對中部槽的磨損存在較大的影響，煤矸石的硬度遠遠大于煤顆粒的硬度，且煤矸石一般密度較大，同等體積下的質量較大，在開采過程中會掉落對中部槽產生沖擊，還會在運行中增大刮板、刮板鏈與中部槽之間的磨損；煤礦井下相對濕度較大，不同煤礦水分含量的不同，一方面影響煤料的黏度，進而影響煤料對中部槽的磨損，另一方面潮濕的工作環境容易使中部槽出現銹蝕現象，中部槽出現銹蝕后，大大影響其耐磨損性能；礦井的酸堿度會對中部槽的腐蝕造成極大的影響，進而加速中部槽的磨損失效[7]。

總體來說，中部槽所處的工況環境極易影響中部槽在使用過程中出現的磨損和腐蝕情況。

2.2 運行速度的影響

不同的煤礦，刮板輸送機的運行速度是不同的，對中部槽的磨損也有較大的差異。當前，國內煤礦開采一直向大規模、高產高效趨勢發展，因此，刮板輸運機的運行速度越來越快，相同的材料承受等量的載荷時，運行速度不同，磨損的形式也不相同。輸送機在運行過程中，大量的煤礦物會落入到中部槽中，這些煤礦物需要很大的摩擦力才能快速運行[8]，運行速度越快，單位時間內中部槽承載的煤料越多，運行速度增大，會使金屬表面發生黏著現象，煤料與中部槽的接觸面積會加大，中部槽表面的氧化過程也會發生變化，進而導致磨損形式的變化[9]，使得中部槽的磨損程度增加。

2.3 工作面角度的影響

煤礦進行煤炭開采時，根據實際工況的不同，會存在不同的鋪設傾角，一般綜采工作面的夾角不超過10°。當水平鋪設時，煤塊和煤矸石等掉落對中部槽的沖擊力最大，而中部槽材料一般韌性較差，有較大的脆性，容易出現表面材料剝落的情況。研究發現，由于中部槽連續工作時間較長[10]，長時間運載狀態下，工作面鋪設傾斜向下時，中部槽磨損最小；工作面水平鋪設時，磨損次之；工作面鋪設向上傾斜時，中部槽的磨損程度最嚴重。隨著鋪設角度的增大，煤料下落時中部槽受到的切向力增大[11]，表面剝落的材料增多，對中部槽的磨損加劇。

3 中部槽磨損失效改進措施

3.1 合理的操作與維護

中部槽作為刮板輸送機的主體部分，影響著企業的生產效益，而其工作環境又是相當復雜且惡劣，因此對于中部槽的維護和保養也是必不可少的。當前，煤炭的開采都朝著高產高效、大規模科技化方向發展，需要提高操作人員素質，加強其技能培訓，達到正確、正規操作，避免人為因素造成中部槽的失效[12]。在條件允許的情況下，要定期對中部槽進行清理，部分磨損程度較重的構件及時更換，在一定程度上減小摩擦阻力。在采煤過程中，盡量使工作面保持平直，減小傾角，減輕鏈條對中部槽的磨損速度。當沒有煤料運輸時，盡量避免輸送機長時間運轉，減少不必要的磨損和能量消耗。

3.2 建立健全設備管理制度

中部槽的磨損失效對于整個煤礦行業的安全高效生產都是一個亟待解決的問題，相關企業需要重視設備的維護管理。很多時候中部槽的磨損不僅是自身工作特性的原因，還存在缺乏相應科學合理的維護管理制度而導致的人為因素的問題。嚴格地做到專人專管、設備的安裝運行規范化，結合具體煤礦的特點，制定切實可行的設備維護流程。設備維護管理者要承擔自身的責任，嚴格地落實各項管理制度，根據實際經驗及具體情況不斷完善管理規則，還要運用先進設備和科技手段對中部槽的運行過程進行檢測，嚴格把控中部槽的磨損情況，發現問題及時解決。對于所發現的問題，做出系統準確的分析，根據分析結果考慮不同的維護方法，并選擇切實可行的方案，做到規范管理、規范操作、規范維護，有效降低中部槽的故障率。

3.3 選擇合適的耐磨材料

中部槽在使用過程中主要是磨損失效，國內目前刮板輸送機材料主要用16Mn作為耐磨鋼板，其耐磨性較普通碳鋼有所提高[13]，但對于井下的磨損環境和強度要求來說，其耐磨性能達不到使用要求。國內許多研究人員、煤礦廠家逐漸開發出其他耐磨性能較好的材料，比如選擇硬度更高的NM400等高強度耐磨鋼作為制作中部槽的材料，其耐磨性能有明顯的提高[14]。在開發耐磨金屬材料時，試選擇合適的工程塑料、陶瓷等非金屬材料以及復合材料，也可以選擇合適的材料進行熱處理來增加其硬度[15]，結合中部槽的磨損機理，選擇合適的熱處理工藝，研發性價比高、綜合性能好的耐磨材料。

3.4 表面強化技術

工件的磨損一般都發生在相互作用的表面，因此，利用表面強化技術通過增強中部槽的表面性能以及經濟有效地對舊中部槽進行表面修復[16]，成為切實高效地解決中部槽磨損失效問題的方法。表面強化技術可以通過需要的工藝來增強材料的表面硬度和耐磨性，由于不用整體更換材料，具有較高的性價比，能夠充分發揮材料的優勢，被廣泛用于材料表面的強化修復。常采用堆焊或熔覆的方法，將耐磨合金材料高溫下熔化以冶金結合的方式在基材表面形成耐磨涂層，大大提高中部槽的使用壽命。根據中部槽使用的具體工況環境，選擇合適的耐磨材料、堆焊厚度和耐磨材料布局等，且可以根據用戶的需求在基材表面堆焊出不同形狀、大小的耐磨層[17]，耐磨處理后中部槽的整體耐磨性能有明顯的提升，大幅度提高其使用壽命，減少中部槽的維修次數和維護成本。等離子熔覆耐磨強化處理的中部槽中板如圖2所示。

圖2 等離子熔覆耐磨強化處理的中部槽中板Fig.2 Plasma cladding wear-resistant and strengthened middle groove plate

4 結語

刮板輸送機是高產高效、大規模綜采的核心運輸裝備，中部槽作為刮板輸送機的關鍵構件之一，其使用壽命直接決定著整套綜采系統的效率和質量。作為井下煤料運輸的中部槽其工作環境較差，在使用過程中會受到嚴重的磨損和腐蝕，極易導致失效。通過分析中部槽磨損失效機理，結合具體工況環境，找出影響中部槽磨損嚴重程度的因素。為減輕中部槽的磨損、延長中部槽使用壽命，煤礦工作人員在工作中應合理規范地操作，加強設備的維護和保養；管理者要根據自身煤礦情況制定完善可行的設備維護管理規則，形成完整的中部槽全壽命周期管理體系。相關研究人員選擇和開發合適的耐磨材料并應用表面強化技術，能夠有效提高中部槽的耐磨性，提高中部槽的使用壽命，保證中部槽在采煤過程中的平穩高效運行。

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