煤礦主井箕斗耐磨研制技術(shù)的探討

石松林

淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙煤礦機(jī)電科，安徽 淮北 235136

煤礦主井箕斗耐磨研制技術(shù)的探討

石松林

淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙煤礦機(jī)電科，安徽 淮北 235136

針對(duì)煤礦普通材料制作的箕斗在生產(chǎn)過程中遇到的問題，提出對(duì)主井耐磨箕斗采用耐磨研制技術(shù)，此技術(shù)采用高強(qiáng)度新型材料設(shè)計(jì)和制造箕斗，并通過長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相對(duì)成熟的理論研究相結(jié)合，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)分析箕斗壁的應(yīng)力和變形、失效狀態(tài)，從而更加合理的設(shè)計(jì)箕斗結(jié)構(gòu)。

主井箕斗；耐磨研制；應(yīng)力分析；前景廣泛

Main shaft skip; Wear-resisting development; Stress analysis; prospect

1 背景和意義

箕斗是礦井提升的主要容器和載體，在提升工作中箕斗將承受來(lái)自煤塊和矸石的沖擊和磨損。目前，國(guó)內(nèi)主井提升所用箕斗均采用普通的碳素結(jié)構(gòu)鋼加工制作，由于工況條件差，受煤塊和矸石沖擊和磨損嚴(yán)重，正常使用年限較短，一般使用年限不超過2年。而且，由于國(guó)內(nèi)采煤工藝和技術(shù)的進(jìn)步，礦井基本采用綜采機(jī)械化生產(chǎn)，原煤含矸石率較高，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)施要求也相應(yīng)地提高，要求提升系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗沖擊、抗磨損能力。目前，國(guó)內(nèi)還沒有推廣使用抗沖擊、抗磨損箕斗。為適應(yīng)實(shí)際工況要求，提高提煤效率和效益，煤礦主井采用抗沖擊、耐磨損的高強(qiáng)度箕斗是十分有必要的。新型箕斗的使用可以大大延長(zhǎng)提升箕斗的更換周期，減少了提升設(shè)備的費(fèi)用投入，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，具有廣闊的推廣前景。

2 現(xiàn)有箕斗存在的問題

現(xiàn)在的礦井生產(chǎn)中，為了提高提煤效率，大容量箕斗越來(lái)越普及，因此，減少箕斗自重、提高箕斗有效荷載量顯得越來(lái)越重要。因此，為了滿足箕斗的安全性，我們有必要采用高強(qiáng)度新型材料設(shè)計(jì)和制造箕斗，同時(shí)需要了解箕斗壁的應(yīng)力（變形）分布規(guī)律，從而更加合理的設(shè)計(jì)箕斗結(jié)構(gòu)。由于箕斗受力和結(jié)構(gòu)本身的復(fù)雜性，用純理論的方法分析其應(yīng)力狀態(tài)，在目前的理論水平上還很難得到理想和精確的結(jié)果。而采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方法，在現(xiàn)場(chǎng)建立實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行所需的實(shí)驗(yàn)成本高昂，而且存在許多不安全因素。因此，如果能將長(zhǎng)期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和相對(duì)成熟的理論研究相結(jié)合，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)分析箕斗壁的應(yīng)力和變形、失效狀態(tài)，則可以得到一種可靠、可行的分析結(jié)果，并可以作為日后設(shè)計(jì)和改進(jìn)箕斗的重要參考數(shù)據(jù)。以下為我們采用計(jì)算機(jī)建模，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)分析所得相關(guān)數(shù)據(jù)：

圖1 箕斗計(jì)算力學(xué)模型 圖2箕斗模擬變形圖

圖3 框架應(yīng)力分布圖

圖4 斗箱應(yīng)力分布圖

從上述箕斗變形圖和應(yīng)力分布圖可以看出，箕斗斗箱的側(cè)壁和后壁所受的應(yīng)力最大，且應(yīng)力變化幅度大，框架的一些點(diǎn)（與斗箱接觸處附近）的變形量也較大?；吩趯?shí)際工作中，正對(duì)著裝載溜槽的斗箱壁，在裝載時(shí)承受很大的來(lái)自煤塊和矸石的沖擊載荷，在卸載時(shí)要受到一定的磨損。斗箱底板的上表面在裝載初期也承受一定的沖擊載荷，在卸載時(shí)受到很大的磨損。理論與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐均可看出箕斗的這兩個(gè)部位是最容易出現(xiàn)破壞而失效的，在箕斗的設(shè)計(jì)與制造中應(yīng)該重點(diǎn)考慮這兩個(gè)關(guān)鍵部件的剛度和強(qiáng)度要求。

箕斗裝載時(shí)，箕斗斗箱壁和箕斗斗箱底板承受的沖擊屬于多次沖擊疲勞問題。在近似計(jì)算中，當(dāng)沖擊次數(shù)大于1000次時(shí)，用相似于疲勞的方法計(jì)算強(qiáng)度。

通常情況下，箕斗在強(qiáng)度和剛度上均能滿足使用要求，但各部位的變形和應(yīng)力水平相差很大，有些關(guān)鍵部位需要提高其強(qiáng)度，增加其抗沖擊能力和耐磨能力?；方Y(jié)構(gòu)上局部剛度設(shè)計(jì)不合理，往往會(huì)引起某些部位的應(yīng)力集中，為了避免這類情況，設(shè)計(jì)和制造時(shí)需要考慮各構(gòu)件的剛度協(xié)調(diào)性。

箕斗斗箱在裝滿散裝物時(shí)，其內(nèi)壁的壓力分布不像均勻液體那樣呈線性分布，它隨煤塊或矸石的粒度、濕度、均勻性以及內(nèi)摩擦力的不同而不同。因此，準(zhǔn)確地確定其壓力分布是不現(xiàn)實(shí)的，根據(jù)大量的經(jīng)驗(yàn)可以得到近似的計(jì)算方法。斗箱側(cè)壓力可以采用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：R—— 水力半徑，R=截面積/周邊長(zhǎng)，cm；

?—— 煤塊或矸石的比重，k N/ cm3；

f1—— 煤塊或矸石對(duì)箱壁的摩擦系數(shù)；

z—— 自斗箱上緣算起的深度，cm。

斗箱的底部斜壁壓力可按下式計(jì)算：

式中：α—— 箱壁的斜角；其余同上。

3 提高箕斗抗沖擊性和耐磨性的相關(guān)措施

3.1 結(jié)合上一部分的分析，可以對(duì)剛度要求比較高，承受沖擊力較大的部分采用高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼15M n V T i（俗稱HG70）進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。主要包括框架立柱、斗箱壁等，以保證這些重要部分有足夠的抗沖擊性，在工作中變形盡可能的小。高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼15MnVTi,具有高強(qiáng)度,高韌性,良好的冷成型和焊接性能，具有較好的抗腐蝕和耐磨性能和良好的抗疲勞性能。和傳統(tǒng)的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235相比，15MnVTi的硬度和強(qiáng)度都有很大的提高。Q235的沖擊韌性值，沖擊功，布氏硬度為130～180。而15M n V T i高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的沖擊功，硬度也遠(yuǎn)大于Q235?？梢姡?5MnVTi高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的抗沖擊性和耐磨性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235。同時(shí)，15MnVTi高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼具有良好的焊接性能，其硬度、強(qiáng)度、塑性和韌性均滿足本次箕斗改造的要求?；返亩废渲饕怯射摪搴附佣?，對(duì)焊縫和焊接性能有較高的要求。使用15MnVTi高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼焊接加工箕斗斗箱，可以保證焊縫處的強(qiáng)度和剛度要求，進(jìn)而提高箕斗斗箱的整體可靠性，這一點(diǎn)是傳統(tǒng)的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235所無(wú)法比擬的。

3.2 在斗箱壁內(nèi)側(cè)鉚接8～12mm左右厚的15MnVTi高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼作為耐磨襯板，如果對(duì)箕斗自身重量要求比較嚴(yán)格，可以只在受沖擊和磨損較大的兩個(gè)面添加15MnVTi襯板。如果箕斗重量富足量大，則可以在斗箱的所有內(nèi)壁上添加15MnVTi耐磨襯板。15MnVTi襯板的平均布氏硬度達(dá)到400左右（是傳統(tǒng)的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235的兩倍多），屈服強(qiáng)度達(dá)到460MPa以上（是傳統(tǒng)的碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235的兩倍）?？梢姡瑢?duì)斗箱壁內(nèi)側(cè)鉚接15MnVTi襯板，可以顯著提高箕斗斗箱的耐磨性和抗沖擊性，提高了箕斗的可靠性和使用壽命，在經(jīng)濟(jì)性和安全性上都有了很大的提升。

3.3 在材料的采購(gòu)方面要嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，購(gòu)買正規(guī)廠家的優(yōu)質(zhì)鋼材，出廠前要進(jìn)行必要的測(cè)試，確保加工原料的質(zhì)量。同時(shí)，箕斗加工完成后也要進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要高于傳統(tǒng)的箕斗，從而保證生產(chǎn)的箕斗的可靠性。

3.4 箕斗設(shè)計(jì)和加工中要盡量考慮其工藝性，對(duì)箕斗結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使箕斗的主要受力面受力和應(yīng)變均勻，避免應(yīng)力集中。考慮箕斗的剛度協(xié)調(diào)性，避免局部位置變形量多大，從而影響箕斗的整體性能。提高箕斗的加工精度、改進(jìn)加工工藝，保證箕斗的各個(gè)零部件都滿足設(shè)計(jì)要求。如果條件允許，可以利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行有限元分析，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行必要的模擬演示和分析。

4 效果效益分析

采用普通材料箕斗使用年限平均1.5年，箕斗（12T）單價(jià)30萬(wàn)元；該項(xiàng)目實(shí)施后，箕斗單價(jià)約35萬(wàn)元，使用年限達(dá)到4年以上，為企業(yè)年節(jié)約設(shè)備費(fèi)用11.25萬(wàn)元，每次更換箕斗需用3天，若以礦井每天原煤產(chǎn)量6500T計(jì)算，原煤價(jià)格480元/噸，檢修影響產(chǎn)量6500/1.5=4333.33T，價(jià)值4333.33x480=207.9984萬(wàn)元，每年為單位創(chuàng)造效益：11.25+207.9984=219.2484萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。

Discussion of Wear-resisting development technology of Skip the mine's main shaft

Shi Songlin
HuaiBei Mining (Group) Co.,Ltd., Huaibei 235136,China

Based on the ordinary materials with coal in the production process skip, and puts forward the problems of the main shaft wear-resisting skip is wearresistant developed technology USES high strength technology, the new material design and manufacturing skip, and through long-term scene practice experience and relatively mature theoretical research, combining simulation analysis skip wall stress and deformation and failure condition, and therefore more reasonable design skip structure.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.073

石松林（1982-），男，助理工程師。2006年畢業(yè)于安徽理工大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)制造專業(yè)（學(xué)士學(xué)位），現(xiàn)在淮北礦業(yè)集團(tuán)臨渙煤礦從事生產(chǎn)技術(shù)工作。