刮板輸送機(jī)中部槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究

楊向峰

（山西焦煤霍州煤電干河煤礦， 山西 洪洞 041600）

0 引言

刮板輸送機(jī)在綜采工作面煤炭資源輸送過程中起著至關(guān)重要的作用，是煤炭資源生產(chǎn)開采過程中的關(guān)鍵性設(shè)備，決定著煤炭資源的高效開采運(yùn)輸進(jìn)度。中部槽結(jié)構(gòu)作為刮板輸送機(jī)輸送煤炭的承載部分，在長期運(yùn)輸煤炭過程中經(jīng)常出現(xiàn)因潮濕空氣、矸石碰撞等因素造成的中部槽磨損破壞[1-3]。因此對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，提升中部槽耐磨性對(duì)刮板輸送機(jī)的高效煤炭資源運(yùn)輸工作有著重大意義。

1 刮板輸送機(jī)中部槽磨損原因

1.1 不同煤質(zhì)特征的影響

對(duì)綜采工作面不同煤質(zhì)特征下包括褐煤、無煙煤以及焦煤對(duì)中部槽磨損情況進(jìn)行研究，將刮板輸送機(jī)鏈條牽引速度定為0.8 m/s，具體磨損情況如圖1 所示。

圖1 不同煤質(zhì)特征下中部槽磨損深度曲線

由圖1 可以看出，在前2 s 內(nèi)不同煤質(zhì)特征下中部槽磨損程度基本相同，而且磨損情況也最為劇烈，原因是因?yàn)榇丝痰拿毫枯^少，磨損曲線基本沒有區(qū)別；而2～12 s 時(shí)間段內(nèi)中部槽磨損情況開始出現(xiàn)變化，無煙煤產(chǎn)生的磨損最為嚴(yán)重，褐煤磨損深度最淺。分析出現(xiàn)差別的原因，主要是無煙煤的密度與褐煤、焦煤相比最大，因此對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽造成的磨損也最為嚴(yán)重。同時(shí)可以看出，在8 s 之后各曲線開始趨于平緩，磨損情況基本趨于穩(wěn)定。

1.2 綜采工作面傾角的影響

一般綜采工作面傾角不同對(duì)刮板輸送機(jī)中部槽的磨損效果也會(huì)產(chǎn)生較大差別，本文通過分析±10°下的刮板輸送機(jī)傾角下中部槽平均磨損深度來研究中部槽的磨損效果，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同傾角下中部槽磨損深度曲線

由圖2 可以看出，在前2 s 由于煤量較少，三種傾角下磨損效果基本相同；而在2～3 s 的時(shí)間段，向上傾斜10°的刮板輸送機(jī)中部槽磨損深度迅速增大，水平放置的中部槽磨損深度也在增大，向下傾斜10°的中部槽磨損較為平緩；當(dāng)3 s 之后三種傾角下的刮板輸送機(jī)中部槽磨損情況均趨于穩(wěn)定。可以看出，在綜采工作面刮板輸送機(jī)中部槽傾角不同對(duì)中部槽磨損深度的影響關(guān)系為：傾斜向上10°磨損深度＞水平放置磨損深度＞傾斜向下10°磨損深度。

1.3 刮板輸送機(jī)鏈條速度的影響

刮板輸送機(jī)牽引速度不同對(duì)中部槽磨損情況也會(huì)產(chǎn)生較大差異，通過將刮板輸送機(jī)水平放置于綜采工作面并調(diào)整鏈速分別為0.8 m/s、1.0 m/s 以及1.2 m/s 情況下對(duì)中部槽的磨損深度進(jìn)行分析，具體結(jié)果如圖3 所示。

圖3 刮板輸送機(jī)不同牽引速度下中部槽磨損深度曲線

由圖3 可以看出，在刮板輸送機(jī)不同牽引鏈速下中部槽磨損深度隨時(shí)間的延長而增大，同時(shí)在2 s 內(nèi)三種鏈速下中部槽磨損深度差別不大；而隨著時(shí)間的延長，1.2 m/s 鏈速下刮板輸送機(jī)中部槽的磨損深度急速增大，1.0 m/s 以及0.8 m/s 鏈速下刮板輸送機(jī)中部槽也受到不同程度的磨損，但深度不及1.2 m/s。也就是說，隨著刮板鏈條速度的增大，中部槽的磨損也就越劇烈。通過分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因發(fā)現(xiàn)，當(dāng)刮板輸送機(jī)鏈條鏈速越快時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)落在中部槽上的煤也就越多，于中部槽的接觸面積越大造成的磨損也就越嚴(yán)重。因此要想提高刮板輸送機(jī)輸送效率、增大煤炭資源產(chǎn)量，就必須選用中部槽耐磨性較好的材質(zhì)，避免中部槽的劇烈磨損。

2 中部槽等離子熔覆層應(yīng)用分析

通過對(duì)上述刮板輸送機(jī)中部槽磨損原因進(jìn)行分析可以看出，綜采工作面傾角與中部槽的磨損深度呈正相關(guān)，傾角越大磨損程度越為劇烈；刮板輸送機(jī)牽引速度與中部槽磨損深度呈正相關(guān)，刮板輸送機(jī)鏈速越快，中部槽磨損情況越為嚴(yán)重；同時(shí)不同煤質(zhì)特征下進(jìn)行煤炭資源開采，刮板輸送機(jī)中部槽的磨損情況也會(huì)有所不同，其中無煙煤對(duì)刮板輸送機(jī)磨損最為嚴(yán)重，焦煤次之，褐煤磨損程度最低。為解決上述問題，通過等離子熔覆技術(shù)對(duì)中部槽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高中部槽耐磨性，從而提升中部槽使用壽命。等離子熔覆技術(shù)可以改變物體表面物理特性，通過將中部槽常規(guī)材質(zhì)與合金粉末進(jìn)行融合，并進(jìn)行重新澆筑成型，生成硬度較高、耐磨性得到顯著提升的熔覆層，從而增強(qiáng)中部槽的耐磨性及使用壽命。

2.1 等離子熔覆層制造

中部槽常規(guī)材質(zhì)選取耐磨性較高的NM450 合金鋼板，鋼板尺寸為150 mm×10 mm×50 mm 并用砂紙打磨表面，通過合金粉末利用等離子熔覆技術(shù)對(duì)中部槽鋼板進(jìn)行改性，合金粉末主要是合金陶粉1 和合金陶粉2，包括Fe、Cr、Ni 等元素，三者含量分別為16.0%、19.5%以及0.97%，通過這些元素形成熔覆層對(duì)NM450 合金鋼板進(jìn)行熔覆得到熔覆層A1 以及A2，將熔覆層鋼板冷卻后進(jìn)行分割組件，并進(jìn)行打磨配裝，得到的分割小塊如圖4 所示。

圖4 熔覆層鋼板分割小塊示意圖

2.2 熔覆層性能測(cè)試

對(duì)采用熔覆層處理的NM450 鋼板耐磨性進(jìn)行測(cè)試分析，分別對(duì)鋼板以及A1、A2 熔覆層的摩擦系數(shù)在70 N、200 mm/min 狀態(tài)下摩擦20 min，得出三者的摩擦系數(shù)曲線。經(jīng)過分析各曲線發(fā)現(xiàn)，NM450 鋼板摩擦系數(shù)最大，A2 熔覆層的摩擦系數(shù)最小，也就說明其耐磨性最好。如圖5 所示，前20 s 的磨損系數(shù)變化曲線，之后三者將趨于平穩(wěn)基本在一定范圍內(nèi)保持上下波動(dòng)。由圖5 可以看出，在前5 s 時(shí)間段內(nèi)，NM450 以及熔覆層A1、A2 均隨著時(shí)間的延長磨損系數(shù)快速增大；在5～10 s 時(shí)間段內(nèi)NM450 鋼板的磨損系數(shù)快速增大，熔覆層A1 以及A2 磨損系數(shù)較小，在10 s 之后三者趨于平穩(wěn)。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，在測(cè)試初期由于時(shí)間較短，試塊均為點(diǎn)接觸狀態(tài)，因此磨損系數(shù)較小；而隨著時(shí)間延長，接觸面積不斷增大，磨損系數(shù)也就不斷增大；當(dāng)摩擦一段時(shí)間過后，出現(xiàn)磨粒以及裂痕之后，磨損系數(shù)也就趨于穩(wěn)定。

圖5 各材質(zhì)下摩擦系數(shù)變化曲線

2.3 熔覆層摩擦系數(shù)影響因素分析

為測(cè)試不同試驗(yàn)參數(shù)下對(duì)熔覆層摩擦系數(shù)的影響，分別在載荷不同、滑速不同的情況下分析熔覆層及鋼板的摩擦系數(shù)的變化情況，并對(duì)熔覆層表面的磨損情況進(jìn)行觀測(cè)。

1）分別選取30 N、40 N、50 N、60 N 以及70 N 載荷下滑速控制在90 mm/min 對(duì)兩熔覆層及NM450 鋼板摩擦系數(shù)進(jìn)行磨損試驗(yàn)。實(shí)際測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同載荷下測(cè)得的摩擦系數(shù)有所差別，在一定范圍內(nèi)施加載荷越大，熔覆層的摩擦系數(shù)也就越小，其中A2 熔覆層的摩擦系數(shù)最小。

2）控制載荷50N保持不變，改變滑速為50mm/min、90 mm/min、130 mm/min、170 mm/min 以 及 210 mm/min 對(duì)兩熔覆層及NM450 鋼板摩擦系數(shù)進(jìn)行磨損試驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同滑速下兩熔覆層的摩擦系數(shù)不同，基本呈現(xiàn)出隨著滑速的增大，摩擦系數(shù)增大的規(guī)律。而A2 熔覆層的摩擦系數(shù)同樣相比A1 較小，但兩者均小于NM450 鋼板。分析其原因是，在摩擦過程中合金元素起到了一定的潤滑作用，也就使得熔覆層的摩擦系數(shù)相對(duì)較小。

3）通過選取一次測(cè)試試驗(yàn)中，載荷50 N、滑速130 mm/min 下各材質(zhì)試塊表面磨損情況進(jìn)行顯微觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，兩熔覆層的表面磨損情況較輕，而NM450 鋼板的磨損情況較為嚴(yán)重，出現(xiàn)了表面大面積剝落以及裂紋，出現(xiàn)的磨損狀況主要是磨粒以及黏著磨損，而兩熔覆層僅出現(xiàn)略微的劃痕，磨損情況不是很明顯。也就是說，通過等離子熔覆技術(shù)處理后的刮板輸送機(jī)中部槽耐磨性得到顯著提高，施加的各合金粉末是提高耐磨性的主要原因。通過上述試驗(yàn)測(cè)試可以看出，熔覆技術(shù)實(shí)用效果較好，值得推廣應(yīng)用。

3 結(jié)語

通過分析刮板輸送機(jī)中部槽磨損因素發(fā)現(xiàn)，綜采工作面傾角、刮板輸送機(jī)牽引速度以及煤質(zhì)特征都會(huì)對(duì)中部槽產(chǎn)生不同程度的磨損。通過利用等離子熔覆技術(shù)對(duì)中部槽進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化，在傳統(tǒng)NM450 鋼板中融入合金粉末，加入Fe、Cr 等金屬元素可顯著提升中部槽的耐磨性能，通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)熔覆層由于金屬元素的潤滑作用以及對(duì)中部槽強(qiáng)度的改善作用，使得中部槽耐磨性能明顯提高，極大地提升了中部槽結(jié)構(gòu)的使用壽命。