刮板輸送機中部槽的研究現(xiàn)狀及展望

朱真才，李劍鋒，彭玉興，沈剛

(中國礦業(yè)大學(xué) a. 機電工程學(xué)院； b. 江蘇省礦山機電裝備重點實驗室，江蘇 徐州 221000)

0 引言

煤炭工業(yè)是與國家經(jīng)濟命脈密切相關(guān)的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，它支撐著國民經(jīng)濟長期快速平穩(wěn)發(fā)展。當(dāng)前，中國的煤炭開采正朝著大規(guī)模、高產(chǎn)高效率的方向發(fā)展。因此，合理高效的煤炭開采和提升運輸將對整個煤炭行業(yè)的影響積極而深遠(yuǎn)[1]。綜合采煤技術(shù)是高效開采煤炭的重要技術(shù)，是集支護、采煤、裝載、運輸?shù)葯C械化作業(yè)為一體的生產(chǎn)技術(shù)。刮板輸送機是高產(chǎn)高效機械化采煤的核心裝備，主要由電動機、液力耦合器、減速器、聯(lián)軸器、鏈輪、刮板、圓形鏈及多節(jié)中部槽構(gòu)成，適用于長采距、寬斷面、大采高綜采工作面，承擔(dān)著煤炭運輸、采煤機運行導(dǎo)向以及液壓支架推移支撐的重要任務(wù)。

中部槽是刮板輸送機的關(guān)鍵構(gòu)件之一，其表面受到煤矸石、刮板及刮板鏈的直接刮擦，會產(chǎn)生非常嚴(yán)重的磨損。長此以往，輕者會造成刮板輸送機事故頻發(fā)，使用壽命降低以及其他機構(gòu)件無法運轉(zhuǎn)，重者會引發(fā)十分嚴(yán)重的災(zāi)難性后果。綜上，中部槽的壽命決定著輸送機的壽命和運輸量[2]。中部槽在全國年均廢棄量達3240萬節(jié)，消耗的鋼材量在3.7～4.9萬t之間，造成1.29～1.7億元經(jīng)濟損失[3]。為了提高中部槽的使用壽命，對中部槽耐磨技術(shù)的研究就顯得尤為重要。本文敘述了中部槽在刮板輸送機中的地位,分析其磨損失效機理，介紹了新型耐磨材料以及表面強化技術(shù)在中部槽上應(yīng)用的研究現(xiàn)狀，展望了中部槽磨損改性方面的研究趨勢。

1 中部槽在刮板輸送機中的地位

1) 造價

中部槽組成了刮板輸送機機身，其質(zhì)量和體積均占整機的80%左右[4]。刮板輸送機造價的一半以上集中在中部槽部件[5]。

2) 維護維修

刮板輸送機是否達到報廢的標(biāo)準(zhǔn)，主要取決于中部槽的磨損嚴(yán)重程度。因為礦井下的空間比較狹小，更換報廢機件具有很多弊端，所以中部槽一旦磨損失效，就只能更換新的，而不允許在礦井下維修。因此整機的維護維修費用絕大部分用于中部槽[6]。

2 中部槽磨損失效機理

中部槽的中板、底板以及兩側(cè)槽幫是磨損失效通常發(fā)生的部位。針對煤矸石、刮板、刮板鏈以及惡劣的井下工作環(huán)境對其產(chǎn)生的常見的磨料磨損、疲勞磨損、黏著磨損和腐蝕磨損等綜合磨損[7-8]，相關(guān)學(xué)者在磨損機理方面進行了如下的研究：

荊源昌等人[9]認(rèn)為中部槽表面的磨損損失量與其承受的載荷不是呈線性變化的，當(dāng)載荷達到某個臨界值時，主要表現(xiàn)為磨料磨損，但當(dāng)載荷超過這一臨界值時，則表現(xiàn)為黏著磨損。趙運才等人[10]對中部槽磨損特性的研究采用摩擦學(xué)系統(tǒng)分析的方法，探討了中部槽磨損失效的類型及其影響因素。結(jié)果表明：中部槽摩擦系統(tǒng)由系統(tǒng)元素、元素的性質(zhì)及元素的相互作用組成，確定了磨料磨損、腐蝕磨損是中部槽磨損失效的主要類型，重載時可能發(fā)生黏著磨損現(xiàn)象。史志遠(yuǎn)等人[11]根據(jù)中板磨損形貌在不同工況下的變化特性，得出中板與物料的摩擦程度可存在3種區(qū)域：輕度區(qū)、中度區(qū)和重度區(qū)，其中輕度區(qū)主要為磨粒磨損，中度區(qū)主要為黏著和腐蝕磨損，重度區(qū)主要為疲勞磨損；劉白等人[12]對熱軋 16Mn 鋼板制造的中部槽微觀組織、硬度以及磨損表面形貌進行了研究，實驗證明中部槽存在黏著磨損、疲勞磨損、磨料磨損和腐蝕磨損等混合復(fù)合磨損形式。

因此，為了有效控制中部槽的磨損，增加刮板輸送機的使用壽命，需改善中部槽板材的耐磨性。

3 中部槽耐磨技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前，制造中部槽的板材主要采用高錳鋼16Mn和ZG30SiMn2。16Mn熱軋鋼板具有優(yōu)良的焊接性能，但耐磨性較差，使得刮板運輸機的平均過煤量僅50～70萬t。相比于16Mn，ZG30SiMn2的使用壽命相對較高，過煤量能達到500～700萬t，但是只能達到國外同類產(chǎn)品的一半，難以滿足于高產(chǎn)高效的發(fā)展需求。

許多廠家生產(chǎn)刮板輸送機時通過加厚中部槽中板的厚度增加其使用壽命，然而仍然不能達到刮板輸送機實際使用要求。因為除了效果不太明顯之外，制造成本還大幅度增加。國內(nèi)多半采用兩種方法來增加中部槽抵抗磨損的能力：一是選擇或者研制更加耐磨材料來替代傳統(tǒng)鋼板，另一個是對傳統(tǒng)鋼板進行表面強化處理。

3.1 耐磨材料

Hardox450和JFEEH500等材料由于具有高硬度、良好的耐磨性，被引進使用，在一定程度上增加了刮板輸送機的使用壽命。然而國外進口鋼板成本較高，因此國內(nèi)許多科研人員、廠家及研究機構(gòu)開發(fā)出了多種新型的耐磨材料，比如：將NM360、NM400高強度耐磨耐蝕鋼板作為制作中板的材料，硬度最高能達到HB400,且力學(xué)性能遠(yuǎn)高于普通低合金鋼。汾西礦業(yè)集團在中興煤業(yè)、賀西煤礦、水峪煤礦等公司分別投入采用BTW1鋼和 NM360的中板用鋼，研究發(fā)現(xiàn)：BTW1鋼中板的使用壽命提高了4倍以上，且成本顯著降低；石家莊冀凱科技開發(fā)的新型高強度耐磨合金用于制作槽幫，比傳統(tǒng)槽幫的耐磨性提升了3～5倍；通方煤機改進了槽幫鋼的化學(xué)元素配比還調(diào)整鑄造的熱處理工藝，除了將其強度提升了25%外，還提高了耐磨性能；張家口煤機研制了槽幫用鑄鋼ZG30MnSiMoRe，具有強度好、成本低、性能高等優(yōu)勢；除此之外，劉鑒衛(wèi)[13]選用球墨鑄鐵TNZ作為中板材料，其抵抗磨損的能力相比于16Mn提升了1.2倍。葛世榮等人[14]研究對比中錳耐磨鋼和馬氏體耐磨鋼的沖擊磨損性能，分析了磨損形貌和磨損機理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)中錳耐磨鋼的耐沖擊磨損能力明顯優(yōu)于馬氏體耐磨鋼，因此，采用中錳鋼代替馬氏體鋼制造的中部槽中板，能有效提高刮板輸送機的使用壽命；修玲芳等人[15]采用國外先進的儀器對中碳合金鋼中板材料進行綜合熱處理，增加了中部槽的使用壽命以及煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益；李廣勝[16]將厚度12mm的 Mn13鋼與厚度16mm的Q345鋼上下堆疊焊接而形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)來作為中部槽中板材料，很好地解決了井下中部槽易磨損的問題，提高了安全性；劉白等人[12]將冷軋鋼板40Mn2制作的中部槽投入使用，使用后發(fā)現(xiàn)磨損情況較輕，耐磨性能顯著；樊建軍等人[17]開發(fā)出低碳高合金鑄鋼，替代ZG30MnSi，使用發(fā)現(xiàn)使用壽命大幅度增加；梁立勛[18]采用改性MC尼龍制成的SGW-40T新型材料制造的中板，質(zhì)量約為現(xiàn)用金屬中板的1/4，具有較好的綜合力學(xué)性能、耐腐蝕、耐磨損且低成本。

3.2 表面強化技術(shù)

中部槽常用的表面強化工藝有搪瓷處理、普通熱處理(表面淬火等)、化學(xué)熱處理(滲硼、滲碳、滲氮及碳氮共滲等)、堆焊及熔覆技術(shù)等方法。然而，搪瓷處理工藝復(fù)雜且容易導(dǎo)致中板變形，普通熱處理工藝相對復(fù)雜但耐磨效果較小，化學(xué)熱處理對設(shè)備的要求比較高。因此，比較普遍使用的方法是堆焊技術(shù)和熔覆技術(shù)。表面強化技術(shù)具有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢，易于實現(xiàn)對中部槽的現(xiàn)場修復(fù)，在一定程度上提高了中部槽的使用壽命。

1) 堆焊技術(shù)

堆焊技術(shù)是耐磨合金粉末在高能熱源加熱的條件下，迅速熔化并形成耐磨涂層于普通碳鋼板材上，有效提高了中部槽的使用壽命。堆焊可以節(jié)省設(shè)備維護成本和減少維修時間，降低故障率和事故處理時間，并減輕工人的勞動強度，在增強礦山機械設(shè)備耐磨性領(lǐng)域得以推廣應(yīng)用。哈爾濱焊接研究所和張家口煤礦機械廠合作成功研制出了碳弧堆焊技術(shù)，采用Fe-05耐磨粉塊碳弧堆焊中部槽,在飾鄲礦以及唐山礦井下使用后，數(shù)據(jù)顯示使用壽命提高了1倍以上,經(jīng)濟效益較好；1985年南京煤礦機械廠針對改善中部槽中板端部中央鏈道磨損問題，成功設(shè)計出了半自動氧-乙炔噴焊生產(chǎn)線來強化中部槽中板，該生產(chǎn)線具有高效率、低勞動強度、質(zhì)量高的堆焊層；云岡礦從1992年起與中國礦業(yè)大學(xué)合作研制出了KD-1型、KD-2型(EDCrWB型)耐磨堆焊焊條并設(shè)計出合適的堆焊工藝, 進行大面積堆焊新的或舊的SGB-764/264型輸送機中部槽中板表面，使得中部槽使用壽命大幅度提高，經(jīng)濟和社會效益顯著；1993年3月份在徐莊礦井下使用的堆焊后的中部槽比未堆焊的中部槽耐磨性提升了12.5倍；神華寧煤集團的羊場灣煤礦采用M3系列鋼板表面堆焊6mm的高鉻鑄鐵碳化復(fù)合耐磨板作為中部槽中板材料, 使用僅7個月，過煤量達到170～180萬t，表面僅磨損了0.3～0.4mm；石嘴市凝力機械設(shè)備有限公司采用經(jīng)堆焊技術(shù)處理的碳化鉻耐磨復(fù)合鋼板制作的刮板輸送機中部槽，減少了刮板輸送機的維修和更換周期；安徽礦機在煤炭工業(yè)廠家廢棄的中部槽上將成本低廉的耐磨塊堆焊在磨損嚴(yán)重部位，使修復(fù)好的中部槽能夠重復(fù)利用，結(jié)果證實，效果十分顯著；山西焦煤霍州煤電集團采用自動堆焊耐磨層于40Mn2 冷軋鋼表面形成復(fù)合耐磨材料，并在龐龐塔煤礦中使用該材料作為14-31010 綜采工作面 SGZ-1000/1050 型刮板輸送機中部槽。通過近1年的記錄觀察，發(fā)現(xiàn)該材料的平均磨損約1.5mm，有效保障了井下煤炭的運輸能力；另外，在刮板機運行過程中，為了確保刮板與中板能夠均勻磨損，且盡量減少堆焊時產(chǎn)生的熱變形及成本，廠商和學(xué)者通過長期的研究，設(shè)計了人字式、長條式、方格式以及菱形式4種耐磨花樣堆焊。遲利鋒等人[19]提出可采用耐磨焊絲堆焊磨損量較小的中板，同時采用網(wǎng)格狀堆焊加強的方法修復(fù)中板其他部位，可有效提高中板使用壽命，減少維修費用及開采成本；張小鳳[20]在靈新煤礦上使用了神華寧煤集團的斷續(xù)菱形花紋焊道技術(shù)工藝改性后的中部槽中板，1年后發(fā)現(xiàn)堆焊后的中板使用壽命延長了1倍以上。

2) 熔覆技術(shù)

等離子熔覆與激光熔覆技術(shù)都是在中部槽易磨損部位，通過等離子束或激光束將合金粉末加熱，冷卻后形成與基材冶金結(jié)合的耐磨耐腐蝕的特殊涂層，以此來保護中部槽基體永不磨損。裴中愛等人[21]在普通中部槽表面等離子熔覆了一層耐磨涂層，結(jié)果使中部槽的使用壽命大大延長；劉鳴放[22]使用自主研制的IGS-600型手持式等離子表面熔覆設(shè)備，在中板表面熔覆了高硼Fe-Cr合金層，比基材的耐磨性提升了5.4倍，投入工作后的使用壽命延長了2～3倍；靜豐羽[23]在中部槽表面采用等離子熔覆注射B4C的方式制備出條狀Fe基耐磨涂層，分析了其顯微組織，并經(jīng)實驗驗證得出，在相同工況下，處理后的中部槽相比于傳統(tǒng)的使用壽命增加了5～7倍；王全安等人[24]在煤礦用刮板輸送機中部槽易磨損部位等離子熔覆Fe-Cr-B-Si合金涂層，并分析了其磨損機制，結(jié)果表明熔覆層的磨損機制為微切削磨損，是基材耐磨性的5.4倍；吳玉萍等人[25]采用等離子熔覆工藝在16Mn鋼基材上制備出碳化鎢增強鎳基復(fù)合涂層，硬度達1100HV，壽命提高了3～5倍；尹發(fā)順等人[26]采用等離子熔覆技術(shù)在NM450中部槽中板上熔覆了Fe-C-Nb-Mo涂層，中板磨損機理從磨粒和黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微劃傷，摩擦學(xué)特性顯著提升；彭朝霞[27]提出應(yīng)用等離子熔覆技術(shù)增強中部槽中板，能較好地提升中部槽的抗磨損能力，延長使用壽命且降低成本；山東能源重型裝備制造集團在730刮板輸送機的中部槽中板上激光熔覆自行研制的WC增強鎳基復(fù)合涂層，在過煤量10萬t后，涂層整體外觀良好，僅存在少量磨損損耗；潘興東等人[28]研究了激光熔覆涂層強化中板。結(jié)果顯示：基體的耐磨性通過熔覆層顯著提升，還研究了在磨損過程中載荷、速度等因素對熔覆層的摩擦磨損產(chǎn)生的影響；李劍鋒等人[29]采用激光熔覆系統(tǒng)以合適的工藝在中部槽中板表面成功制備出碳纖維增強Fe-Cr-C-B復(fù)合涂層, 涂層內(nèi)還原位生成了(Cr, Fe)7C3、B4C等增硬相, 硬度和耐磨性相比于中部槽基體分別增加了5倍和3倍左右，而且涂層還表現(xiàn)出良好的潤滑性。

4 研究展望

在刮板輸送機煤炭開采過程中，中部槽受到刮板、刮板鏈以及煤散料的劇烈摩擦，很容易磨損失效，嚴(yán)重降低煤炭開采的產(chǎn)量和效率，造成難以估算的經(jīng)濟損失。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，用新的耐磨材料來替代普通合金鋼板制造中部槽，其效果明顯好于表面強化處理后的普通鋼板，然而需要人為投入的精力和資金也是不可忽視的問題。若要兼顧經(jīng)濟成本和耐磨效果，采用表面強化技術(shù)來增強中部槽耐磨具有更好的發(fā)展前景。然而，表面強化技術(shù)處理后的中部槽使用效果不如耐磨材料，因此研制出更加耐磨、更長使用壽命的熔覆涂層是需要解決的關(guān)鍵問題，這樣才能保證表面強化后的中部槽在煤炭開采過程中高效運行。

5 結(jié)語

在煤炭開采過程中，由于刮板輸送機中部槽受到煤矸石、刮板、刮板鏈以及腐蝕介質(zhì)的磨損作用，使得使用壽命極大縮短。采用新型耐磨材料替換普通鋼板和表面強化處理技術(shù)能大大提高中部槽的耐磨性及使用壽命，然而出于成本的考慮，表面強化技術(shù)是首選。