刮板输送机中板磨损性能的研究进展

柴金荣 叶 磊 范兴帅 孙帅辉 李国华

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083)

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。富煤、贫油、少气的能源禀赋决定了煤炭在我国一次能源消费中占据重要地位。随着煤矿的大型化、集约化和现代化发展，综采技术成为煤矿现代化开采的重要技术。综采技术是集支护、采煤、装载、运输等机械化作业为一体的生产技术，刮板输送机是综采技术中的关键设备。为了满足大型高效集约化矿井的生产需求，需要刮板输送机不断向大运量、长运距、大功率、长寿命与高可靠性方向发展。目前，国内自主研发的刮板输送机运量达到4000 t/h，设计长度达到400 m。

刮板输送机的发展需求对其关键零部件提出了更高的要求。中板是刮板输送机的主要部件，占机器总重量的2/3。在刮板输送机实际工作中，中板受力情况复杂，并发生多种形式的磨损，主要包括磨粒磨损，粘着磨损和腐蚀磨损等。恶劣的工作环境使中板产生严重的磨损，因此中板成为影响刮板输送机寿命的重要因素。

为了提高中板的使用寿命，满足大运量刮板输送机的发展需要，相关研究人员在中板的材料、磨损评价方法以及表面强化技术等方面进行了大量研究。本文将从上述3个方面对中板磨损的研究现状进行分析，并展望中板磨损的研究趋势，为大运量刮板输送机的研发以及现有机型的改造升级提供参考。

1 中板材料研究现状

中板材料最早使用的是16Mn合金钢材料，过煤量平均为50～70万t。由于刮板输送机设备发展的需要，引进了具有高硬度且耐磨性较好的进口耐磨钢Hardox450和JFE EH500等材料，这些材料的应用在一定程度上提高了刮板输送机的使用寿命。

除合金钢材料之外，一些学者还试图采用其它材料来提高中板的耐磨性。刘鉴卫选用球墨铸铁TNZ作为中板的材料，比16Mn的耐磨性提高了1.2倍；梁立勋用改性MC尼龙制成的SGW-40T中板，这种中板重量约为现用金属中板的1/4且具有耐磨损和耐腐蚀等特点。但是，这些材料并没有得到广泛应用。

2014年左右，一些学者将研究方向由中低合金马贝相变强化型的耐磨钢转向中锰钢(BTW)。中锰钢中的Mn元素可以使钢在室温条件下较小冲击载荷或接触应力下发生马氏体转变。Wang Jian的研究结果表明，在低冲击载荷下热轧中锰钢(Mn8)的冲击磨损性能优于高锰钢(Mn13)；葛世荣的研究结果表明中锰钢磨损表面硬化层厚度约为1000 μm，硬度为52HRC，表现出优良的耐磨强化效果。形变诱发马氏体相变是中锰耐磨钢强化主要原因之一。

中锰钢比进口耐磨钢更经济，且耐磨性优于Hardox450和NM360。BTW系列中锰钢已在部分煤矿使用。实践结果表明，BTW系列耐磨钢在水峪煤矿、贺西煤矿、同发东周窑煤矿以及酸刺沟煤矿的使用寿命是NM360的4～5倍以及Hardox450的2倍，过煤量达到2000万t。

BTW系列中锰钢的出现有望将刮板输送机的过煤量从1000万t提高到2000万t，中锰钢因其具有形变诱导强化的特性以及性价比高的优势，将成为中板的重要材料之一。高可靠性和高效率一直是机械设计追求的目标，未来中板材料的开发将会继续向着抗磨、降低摩擦以及轻量化发展，从而提高设备效率和节约能源。

2 中板磨损评价研究现状

刮板输送机工作环境复杂，根据中板所处位置的不同，受力状态也不同。在实际工作中，中板受矿石压力、液压支架的挤压或液压支架的拉力的作用，其磨损包括磨粒磨损、粘着磨损和腐蚀磨损等多种形式。近年来，为了更真实地模拟中板工作状态下的磨损，找到更适合的磨损评价方法，相关研究人员对刮板输送机进行了较多磨损方面的试验研究，几种代表性的评价方式分析如下：

(1)刘鸣放用ML-100销盘型回转式磨料磨损试验机，对16Mn和4种等离子熔覆层分别在压力20 N下进行磨粒磨损性能测试，用4种等离子熔覆层相对16Mn耐磨粒磨损性评价材料的耐磨性。试验结果表明，含硼量为4.5%时耐磨性最好，相对耐磨性是基材的5.4倍。这种方法只考察了材料受压状态下的磨粒磨损性能，可以说明含硼量为4.5%的等离子熔覆层在受压状态下的磨粒磨损性能是这4种等离子熔覆层最好的，没有考察其他磨损类型的协同作用。

(2)史志远用MLS-225湿砂半自由磨料磨损试验机对NM400板材与不同配比的煤炭、矸石及水的混合物料组成的摩擦副在不同的接触压力下进行磨料磨损试验。接触压力根据刮板输送机常用运料速度推算。这种试验方法模拟了磨料磨损和腐蚀磨损同时作用下材料的磨损状态。试验中腐蚀环境和实际情况有所差别，并不能较好地模拟材料在井下腐蚀磨损的协同作用下的磨损。

(3)葛世荣用MLD-10型动载磨料磨损试验机对中锰钢BTW在不同冲击力作用下进行磨粒磨损试验，考察了中锰钢BTW在有冲击载荷作用时的磨粒磨损性能及自强化机理。这种试验方法是目前比较接近落煤区中板的磨损状态的试验模拟方法。

(4)乔燕芳用MMU-10G高温端面摩擦磨损试验机对4种中板材料(作者在文中隐去了材料牌号)进行了高温、高湿、高腐蚀环境下的磨粒磨损。试验结果表明，由于腐蚀磨损的协同作用，材料在不同工况下表现出不同的磨损性能，在三体摩擦状态下，国产新型耐磨钢比进口耐磨钢耐磨，而在腐蚀和磨粒共同存在的状态下，进口耐磨钢比国产新型耐磨钢耐磨。但是试验中用的腐蚀液是NaCl溶液，与实际矿水不符，也没有模拟冲击力作用。

上述中板磨损试验方法受各自摩擦磨损试验机的限制，均不能完全模拟中板实际工作时的受力状况及磨损形式。因此，需要研制适用于全面模拟中板磨损的多功能摩擦磨损试验机。另外，还缺少对磨损过程的在线监测及预测的方法和专用设备。

3 中板表面强化技术研究现状

自20世纪80年代以来，相关专家在研制优质耐磨中板材料的同时还对中板进行了表面强化技术的研究。对中板的表面强化主要是利用喷焊、堆焊等表面强化技术在中板表面涂覆一层耐磨合金材料，使中板使用寿命提高2～4倍；这种方法与使用优质耐磨钢相比成本较低。

中板表面强化技术的研究主要从中板耐磨堆焊的设备、堆焊焊条以及堆焊工艺等方面进行。郑光海在16Mn表面感应熔覆镍基WC涂层，耐磨性较16Mn钢板提高近4倍。刘鸣放采用自主研发的IGS-600型手持式等离子表面熔覆设备, 在中板表面熔覆高硼Fe-Cr合金层, 相对耐磨性是基材的5.4倍，煤矿井下使用寿命延长了2～3倍；孙玉宗利用等离子熔覆强化技术对中板进行强化，延长使用寿命；迟利锋提出中板磨损量较小时，可以对中板采用耐磨焊丝堆焊，同时对中板其他部位采用网格状堆焊加强的方法修复，提高中板使用寿命，减少维修费用，节约开采成本；吴星在井下对工作面中板易磨损部位堆焊耐磨材料，使其恢复性能；张小凤在神华宁煤集团用断续菱形花纹焊道技术工艺对下井的一部分刮板输送机的中板进行了耐磨强化，并在灵新煤矿进行了一年多的对比试验。研究结果表明，堆焊后的中板使用寿命延长了1倍以上；王春华研究了手工电弧焊堆焊电流对16Mn中板堆焊层组织和性能的影响；马忠昌经过试验对比，研发一种含硼钛钙型药皮交直流两用的经济型耐磨焊条，堆焊层相对耐磨性是16Mn的近5倍。

表面强化技术因其较好的经济性，被广大刮板输送机生产企业使用，并被用于中板井下修复技术，在提高中板使用寿命、降低生产成本等方面，取得了较好的效果，但是强化后的中板使用寿命与高性能耐磨钢还有一定差距。因此，需要研制出经济实用的高性能耐磨合金焊条，并继续探索中板强化工艺。

4 结语

(1)中板材料从采用低合金结构钢16Mn到进口耐磨钢Hardox450、JFE EH500等，再到新型国产BTW系列中锰钢。过煤量从40万t提升到1000万t，BTW系列中锰钢过煤量达到2000万t。目前对中锰钢的耐磨耐蚀性能研究较少，特别是需要进一步研究其腐蚀状态下的耐磨性能。

(2)以往中板磨损评价方法试验研究均不能全面模拟中板实际工作时的受力状况及磨损形式，并缺少磨损在线监测及预测方法及配套设备。因此，需要研制适用于全面模拟中板磨损试验的多功能摩擦磨损试验机，以及在线监测及预测的方法及配套设备。

(3)表面强化技术具有较好的经济优势，易于实现对中板的现场修复，在一定程度上提高了中板的使用寿命，但是效果不如直接使用高性能耐磨钢。因此，需要研制经济实用的高性能耐磨合金焊条，以及继续探索中板强化工艺。