露天矿山主要机械表面的磨损与防护_露天矿山滑坡的防治
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露天矿山主要机械表面的磨损与防护
叶颖
摘要：为减少矿山机械的磨损, 对矿山机械的摩擦学问题进行了讨论。通过对几种典型矿山机械的磨损形式和机理的研究, 发现其磨损形式是磨损和断裂, 磨损机理主要是磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损［1］。对几种表面磨损比较严重的机械设备提出相应的防护方法，以提高机械设备使用寿命和生产效率。
关键词:矿山机械;磨损失效;堆焊;表面改性
Abstract:Researched the tribological probleminmining machinery for reducing the abraded quantity of miningmachinery.Study in wear failure form and dominant mechanism of several typical mining machines, shows thatthe wear and fracture are main wear failure forms, and the abrasive wear, fatigue wear and corrosive wear aredominant wear mechanisms.And propose the corresponding protective method for the several surface wear serious mechanical equipment, in order to improve the service life of mechanical equipment and production efficiency.Key words: mining machinery;wear failure；surfacing;surface modification 1.引言
矿山开采是发展能源、交通材料及基础工业的第一道工序, 我国现有矿山开采设备包括钻孔凿岩机械、凿井和巷道掘进机械、矿用挖掘机、装载机械、装药及充填机械、采场运输和辅助机械等。从80年代以来的技术引进和技术改造, 我国矿山机械的研制技术水平有了长足的进步和发展, 已初步形成了比较完整的科研开发、设计体系和生产制造基地［2］。通过先进技术引进、设备进口和重大技术装备的攻关研究矿山开采设备的科研、制造能力和技术水平也有了迅速地壮大和提高。然而我国在矿山机械设计、制造、使用和维护过程中对耐磨材料的研究和耐磨防护比较晚, 不能将当今先进的抗磨技术和耐磨材料及时应用于矿山机械的设计和制造中, 造成我国矿山机械易磨损件的使用寿命远远低于国外先进水平。为了提高矿山机械的使用寿命, 降低机件的磨损, 必须了解这些材料的磨损原理, 并运用摩擦学的知识对矿山机械易磨损件进行失效分析, 掌握其磨损机理, 然后根据实际情况, 改进设计, 恰当选材, 采用合理的抗磨工艺。本节主要对鄂式破碎机、刮板输送机、采矿掘进机3个主要大型机械进行进行磨损分析、以及一些改进方法。从而提高机械使用寿命达到提高生产效率的目的。
2．堆焊工艺介绍
堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于各个工业部门零件的制造修复中。为了最有效地发挥堆焊层的作用，希望采用的堆焊方法有较小的母材稀释、较高的熔敷速度和优良的堆焊层性能，即优质、高效、低稀释率的堆焊技术。堆焊的方法有很多主要有埋弧堆焊、等离子弧堆焊、TIG堆焊、冷焊堆焊、电火花堆焊、宽带极电渣堆焊、挤压辊堆焊等。这一节我们主要对等离子弧堆焊进行介绍。2.1等离子弧堆焊原理
耐磨材料等离子弧堆焊技术是采用等离子弧堆焊方法，利用等离子弧的高温，电流密度大的特点。将高硬度质颗粒均匀地钎镶于堆焊层金属中,而硬质颗粒不产生熔化或很少产生熔化.形成复合堆焊层.这种复合堆焊层是由两种以上在宏观上具有不同性质的异种材料组成.一种是在堆焊层中起主要耐磨作用的碳化物硬质颗粒,一般为铸造碳化钨,碳化铬,碳化硼,烧结碳化钨等.从原则上讲各种碳化物,硼化物甚至硬度更高的金刚石都可以作为复合堆焊层的组成物.目前国内外工业上复合材料等离子弧堆焊应用焊接较多的硬质颗粒是铸造碳化钨,它是由共晶组成,硬度为250～300.堆焊层的另一种组成金属是起“牯结”作用的基材金属,也称之为胎体金属,它是堆焊层中的基体.一般认为,硬质颗粒与胎体金属的结合是钎焊结合,堆焊层与母材的结合为冶金结合.2.2等离子弧堆焊特点
采用等离子弧堆焊技术获得的复合堆焊层质量稳定可靠.复合材料等离子弧堆焊技术的最新进展可使堆焊层达到无气孔,裂纹及碳化物烧损,熔解等缺陷.碳化物颗粒在堆焊层中分布均匀.耐磨材料堆焊层耐磨性高,在磨损严重的工况条件下,复合堆焊层的耐磨性表现尤为突出,可较通常的铁,钴,镍基舍金表面保护层提高耐磨使用寿命几倍甚至十几倍.具有较高的结合强度.由于堆焊层与被保护工件表面是冶金结合,因此可以满足很高的强度要求.同热喷涂获得的复合耐磨保护层比较,堆焊层结合强度是热喷涂层结合强度的3—8倍.复合堆焊层能满足一定的抗冲击要求.例如,水泥生产设备的石灰石破碎机锤头,由于在磨损过程中所受的冲击力较大,一般采用高锰钢材料,使用寿命较低,在表面堆焊高碳高铬合金后,易造成堆焊层破碎剥离,若采用复合耐磨堆焊层可避免这种情况发生,并且耐磨性明显提高.可实现高教自动化生产,降低工人劳动强度,改善作业条件.提高劳动生产率.3.主要机械设备磨损介绍及防护
3.1 破碎机
根据破碎机理的不同, 目前使用的破碎机有颚式破碎机、圆锥破碎机、辊式破碎机以及锤式破碎机等。各类破碎机的机械结构不同, 其磨损情况也有一定差异。
3.1.1颚式破碎机
颚式破碎机的破碎机理是依靠动颚相对于定颚的挤压运动来破碎物料, 因此使用过程中颚板的磨损相当严重。在颚式破碎机的工作过程中, 动颚板在偏心轴的带动下对定颚板做往复摆动, 挤压物料达到粉碎的目的;同时动颚板又在垂直方向上有很大程度的上下运动, 使物料与颚板之间产生相对滑动［3］。因此, 颚板的磨损主要是由物料的挤压以及物料与颚板之间相对滑动造成的。
3.1.2圆锥破碎机
圆锥破碎机中消耗量最大的易损件是破碎机衬板, 它安装在动锥与定锥的表面, 磨损机制为塑变磨损、切削磨损与疲劳磨损3 种共存。工作过程中, 动锥体作偏心自转运动, 当其转至定锥体时, 给待破碎矿石一个巨大的冲击载荷, 使固定衬板受到挤压而产生塑性变形。而承受巨大载荷的矿石, 又使动衬板受到挤压应力和剪切应力。挤压应力使动衬板也产生塑性变形。同时, 在动锥体旋转时, 矿石与衬板之间相互产生剪切应力。滑动的矿石及被挤压于底部的矿石对衬板表面进行凿削和切削, 使衬板发生切削磨损。此外, 圆锥破碎机破碎力大,转速高, 衬板在巨大的压缩与剪切压力作用下, 承受周期性的接触疲劳载荷, 在亚表层极易产生疲劳裂纹而导致疲劳剥落。
3.1.3辊式破碎机
辊式破碎机中磨损最严重的部件是破碎辊, 其失效的主要原因是切削磨损和疲劳磨损的综合作用。在破碎辊转动时, 随着辊间隙的减小, 挤压应力剧增, 物料被破碎, 并在高挤压应力下形成巨大的反作用力, 周期性地反复作用于破碎辊表面, 使得破碎辊材料在一定深度内逐渐硬化和脆化, 并形成微裂纹, 最终材料以疲劳剥落方式逐渐剥离母体, 形成剥落坑。此外, 破碎辊除了对物料有挤压作用, 相向转动时对物料还有输送作用。物料伴随着破碎沿辊面由上而下运动, 与破碎辊之间产生相对滑移, 从而对破碎辊表层产生切向作用力, 使破碎辊产生切削磨损。
3.1.4锤式破碎机
锤式破碎机的主要工作部件为带有锤头的转子, 其中最容易磨损的零件有锤头、衬板和筛板。锤头在转子的带动下高速运转, 打击进入破碎腔中的物料, 其工作部分极易被物料磨削而产生严重磨损。衬板安装在进料部分, 与托板共同构成打击板。衬板与物料直接接触, 并且承受物料进入时的冲击和磨削作用。筛板的主要作用是卸料, 安装在转子的下方。物料受锤头打击, 使筛板承受冲击载荷。落在筛板上的大块物料, 与锤头、筛板筛条形成三体磨损;被锤头粉碎的小块物料在卸出时与筛条之间有相对滑动, 也在一定程度上使筛条受到磨损。
露天矿上采用最多的一般为颚式破碎机，主要是因为颚式破碎机方便简单，相对其他的比较经济。但是衬板的磨损也是不能忽视的。失效的衬板经过一段时间就得换，严重影响了工作效率，同时失效衬板就得废弃，为了提高其使用寿命，提高生产效率。我们采用了等离子弧堆焊技术在衬板表面堆焊一层硬质耐磨合金。一般的鄂板采用的是低碳锰钢16Mn、20Mn等制造耐磨件, 这种钢与普通碳钢相比, 其抗磨性能有所提，例如，采用D062高强韧不锈钢焊条，因为焊缝金属含Mn、Cr、Ni等合金，耐蚀性、强韧性极好、抗高温及加工硬化等特点。
3.2刮板输送机
刮板输送机是矿山工业领域中常用的运输设备, 它是靠刮板链拖动刮板在中部槽内滑动而输送物料的, 其主要的磨损失效形式是摩擦磨损和腐蚀磨损。刮板输送机中磨损较为突出的部件是中部槽、链条、链轮等。
3.2.1中部槽磨损
刮板输送机的工作原理是由刮板链通过机头电机的牵引拖动刮板带着物料一起在中部槽内移动, 因此中部槽的磨损主要是物料、刮板和链对中板及槽帮钢的磨损。刮板输送机在实际使用中, 由于地面不平等因素, 会导致铺设角超过规定的弯曲倾角, 从而使链条在运行过程中与槽帮钢和中板的接触压力增大, 加速了中板和槽帮钢的磨损［4］。此外, 煤矿用刮板输送机的槽帮钢上翼还会因采煤机的移动而产生一定的磨损。对于中部槽堆焊的具体工艺采用选用中国矿大研制生产的KD-1 型耐磨焊条对被磨损的中部槽中板进行了耐磨堆焊，按一定花纹、尺寸, 堆焊一层耐磨合金层, 使刮板和链条完全在堆焊层上滑动, 与中板脱离接触, 从而有效地保护中板不受较强的磨损。它是以普通低碳钢为焊芯, 堆焊时通过药皮渗合金的合金铸铁型耐磨堆焊焊条。堆焊后焊层含有碳、硼、铬、钨、钛及稀土等合金元素, 客观硬度为HRC60~ 70, 耐磨性为淬火65Mn 钢的17 倍以上。这种堆焊焊条与目前国内外同类型耐磨焊条不同的是其药皮中铁合金含量少, 药皮重量系数低, 药皮薄(与普通J422 焊条药皮厚度相同), 熔敷金属熔点低, 堆焊层高度容易控制在115~ 2mm, 堆焊工艺性能好。由于药皮配方独特, 堆焊后堆焊层中能形成大量的细针状高硬度的硼化物、碳化物, 极大地提高了堆焊层的耐磨性。
3.2.2链条磨损
刮板输送机链条在使用过程中要与中部槽及物料进行接触, 产生摩擦。同时, 主动链轮与链环在啮合时会产生相对滑动, 而链环与链环之间也会产生摩擦。各种原因综合作用, 使链条不可避免产生磨损。链条的磨损会致使链环截面积减小, 强度降低, 并最终导致链条断裂。
对于输送机不同零部件我们需要选择合适的处理方法。对于刮板我们可以采用电镀硬质铬，链条可硬通过先渗氮、渗碳强化再进行电镀硬质铬等处理。对于中部槽、链轮可以采用堆焊碳化钨等硬质合金。同时要注意做好这些零部件的润滑处理，中部槽与链条之间的磨损 可以采用一些石墨作为润滑剂已达到缓解磨损。还有链条与链轮可以添加一些固体润滑剂黄油等。通过这些处理对于刮板输送机的使用效率会有明显提高。
3.3采矿机
采矿机是煤矿行业的重要机械设备之一,由于工作时间长, 工作环境恶劣, 其失效后给企业造成严重的损失。采矿机的失效形式主要是磨损失效, 而磨损最严重的部件就是采煤机的截齿和滚筒［5］。
截齿是采煤机中直接在煤层中截煤的零部件,它安装于滚筒上, 随着滚筒的旋转而运动, 与煤层直接接触, 产生摩擦。如果煤层中存在矸石等硬的物料, 会使截齿产生更大的磨损, 还有可能导致断裂。采煤机滚筒的磨损, 主要是截割下来的煤块在滚筒上移动造成的。随着截齿将煤块从煤壁上截割下来, 煤块自然地落在2 条螺旋叶片之间, 沿着旋转着的螺旋滚筒轴向移动到输送机上, 在此过程中对滚筒的磨损非常严重, 特别是螺旋叶片会从最初的25 mm 磨损到只有几个毫米。
为了解决截齿在采煤过程中的快速磨损失效问题，采用堆焊方式（或其他冶金方式）在截齿锥顶（硬质合金刀头）以下齿体部位，沿圆周方向堆焊一个宽度约20—30mm厚2—3mm的环形带。此环形带即称之为耐磨堆焊层。从机理上讲，截齿耐磨堆焊层的作用是：（1）弥补或改变因硬质合金刀头钎焊工艺在齿体圆周形成的性能劣化现象（指先热处理后钎焊工艺生产的截齿）。（2）进一步优化或强化刀头部分使用性能。当然，采用先钎焊刀头后整体热处理截齿的制造工艺时，后者的作用更为突出。截齿堆焊层的工况条件比较复杂，截齿在切割煤岩过程中除了承受周期性压应力、切应力和冲击载荷作用外，还要承受长时间磨粒磨擦、冲击产生的温升作用，以及腐蚀介质的腐蚀作用。有文献把截齿的磨损机制或性质归纳为，机械磨损伴随着热疲劳磨损和磨粒磨损。
等离子弧堆焊材料选用20CrMnTi或20CrMnMo作为截齿母材，粉末填充材料的合金系统为Cr-Mo-V-Ti，该工艺采用先完成堆焊层，后进行硬质合金刀头钎焊工艺顺序，利用钎焊热循环对等离子堆焊层进行二次硬化处理，获得硬度不降反升的堆焊层。在20CrMnTi和20CrMnMo钢制截齿体头部、钎焊孔周边部位，采用等离子弧分两次堆焊耐磨合金层，该合金层上端距钎焊缝小于2mm，下端距钎焊缝大于30mm。利用等离子弧堆焊高温热循环，使齿头心部退火软化，有利于钻削钎焊孔加工。在随后对硬质合金刀头的钎焊过程中，由于加热温度较高，堆焊层金属不可避免发生高温回火，堆焊层中大量强碳化物元素Cr、Mn、Mo、Ti使碳化物析出，导致堆焊层金属产生所谓二次硬化现象，最终，堆焊层硬度不是下降，而是升高，达到HV700左右。井下工业试验表明，等离子弧堆焊工艺彻底解决了钎焊过程对齿头造成的退火软化难题，延长了硬质合金刀头的服役期。新工艺生产截齿的总体寿命，达到传统工艺生产同类截齿的两倍以上，制造成本降低20%.采矿机截齿堆焊层实质上是一个防护层，在采矿过程中与截齿头（含硬质合金刀头），共同承受强烈磨损、周期冲击、高温及腐蚀等作用，截齿堆焊层性能的优化与改善，是防止截齿快速磨损失效的重要技术措施。
4．结束语
矿山机械的工作环境恶劣, 磨损与腐蚀无处不在, 由磨损失效给国家带来的经济损失很大, 因此应该对矿山机械的磨损问题进行深入地研究, 以求减小磨损, 降低经济损失。对矿山机械的磨损失效进行分析, 运用摩磨损理论与设计的知识对矿山机械设备进行改进, 并加强抗磨材料的研发进度, 同时注意设备的正确使用和维护, 是减少矿山机械磨损,延长其使用寿命的有效措施。
参考文献：
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