浅谈煤矿机械有形磨损故障分析与预防

李臣武

(贵州职业技术学院 贵阳 550023)

1 引言

煤炭是我国最重要的基础能源之一，煤矿安全生产工作一直是煤炭行业的重中之重。随着科学技术的进步与发展，煤矿机械化程度不断提升，在日常生产活动中，机械设备给企业带来高效率、高利润。大量使用机械设备，机械故障频发问题已成为困扰企业管理人员的难题。煤矿机电设备包括采煤机、刮板运输机、掘进机、液压钻车等，由于煤矿设备使用环境恶劣，荷载任务重，在工作中容易出现故障。机械故障的产生导致生产中断，对煤矿企业造成较大的经济损失[1]。煤矿机械故障种类较多，其中磨损性故障是煤矿设备的常见故障之一，机械设备的磨损故障又可分为有形磨损故障和无形磨损故障，本文结合煤矿机械设备的工作特点，对设备的有形磨损故障进行分析，有针对性地提出预防措施。

2 煤矿设备工作特点

2.1 环境恶劣

鉴于煤炭资源赋存特点，煤矿开采挖掘施工所有工作都在井下进行，没有阳光照射，只能使用矿灯照明，照明条件较差。井下地质条件复杂，环境恶劣，容易导致煤矿机械无法正常工作[2]。

2.2 工作强度较大

采掘设备截割遇到的煤体、岩石时软时硬，给设备带来不均衡载荷。实际生产过程中大部分设备工作强度较大，长期处于高速、超重负载、震动、冲击、摩擦等工作状态。

2.3 工作时间过长

煤矿现场作业形式一般都采用“三八”制，但对于设备而言几乎是连续运转，不分白天黑夜，除了少量的检修时间，企业生产是分秒必争，导致设备处于长时工作状态，使得设备在运行的过程中较容易出现磨损。

3 有形磨损故障分析

有形磨损是指设备在使用或闲置过程中所发生实体上的磨损或损失，有形磨损分为Ⅰ类和Ⅱ类，运转中的设备在外力作用下，实体产生的磨损、变形和损坏称为Ⅰ类有形磨损，设备因自然力作用产生的磨损称为Ⅱ类有形磨损，如钢铁生锈、腐蚀等属于Ⅱ类有形磨损。有形磨损故障是煤矿设备最具有普遍性和规律性的故障，根据煤矿现场实际统计，煤矿机电设备70%—80%的故障是由于Ⅰ类有形磨损而引起的，煤矿设备的Ⅰ类有形磨损故障主要是磨料磨损和疲劳磨损故障，本文重点对磨料磨损故障和疲劳磨损故障进行分析和阐述。

3.1 磨料磨损故障

磨料磨损是指物体表面与硬质颗粒或硬质凸出物(包括硬金属)相互摩擦引起表面材料损失的现象。磨料磨损与磨料的性质、形状及尺寸大小有关。磨料磨损一般分成两体磨料磨损(机械零件表面与磨料接触所形成的磨损)及三体磨损(磨料在两个物体表面所形成的磨损)，其中三体磨料所形成的磨损最严重，这是因为三体磨损过程中，磨料与工件之间的作用力远大于两体磨损过程中两者之间的作用力，从而使工件表面的破坏程度大大提高。

煤炭作为一种特殊的机械磨料，煤矿机械零部件大多是因为磨料磨损而失效，根据相关数据表明，煤矿机械设备磨损70%以上都是磨料磨损所造成的[3]。采煤工作面煤壁绝大部分是煤炭，由于采高过矮需要破顶、破底回采或者采煤工作面过地质构造时采煤机都必须切割矸石，截割部截齿与煤岩体直接接触，落煤过程中发生挤压、剪切、破碎、剥落四步动作，会造成截齿磨钝[4]，采煤机在煤壁进刀时，见图1，煤机启动时煤体中含有石英砂岩、黄铁矿等硬磨料会在截齿上形成很大的压力，在高压力的瞬间作用下磨料能够对滚筒、截齿表面造成较大的切割。煤炭的软硬不均造成滚筒、截齿被磨损的部位和程度各不相同，会使截齿表面形成大大小小的犁沟，若长时间反复挤压、磨损，截齿表面会产生裂纹，就会导致截齿磨薄而断裂脱落。掘进工作面掘进机截割头上安装有截齿，见图2，截割头在半煤岩巷或岩巷截割时不但要割煤炭，而且要截割岩石。磨料硬度略高于设备硬度时，磨损就比较严重，两者硬度差减小，磨损就减小。磨损速率与压力成正比，同样材料制成的零部件，压力减小一半，寿命就会提高一倍。

图1 采煤机截割煤层示意图

图2 掘进机截割头结构示意图

3.2 疲劳磨损故障

疲劳磨损是指两接触面做滚动或滑动的复合摩擦时，在循环接触应力作用下，使物体表面疲劳而产生物质损失、损坏的现象。疲劳磨损是机械设备损伤或损坏的一种基本类型。疲劳磨损会使设备完全丧失原定功能或者功能降低，会使设备严重损伤或产生隐患，继续使用会失去可靠性及安全性，疲劳磨损是产生设备故障最重要的原因之一。煤矿机械设备的疲劳磨损现象非常严重，在井下从事采掘、装运、截割、支护、破碎的机械设备，设备零部件都不同程度受到磨损，甚至有的部位磨损很快，损伤严重，如刮板输送机的溜槽板及链条、液压钻机或锚杆机的钻头、履带式铲车的履带板等。井工煤矿的疲劳磨损故障主要是轴承磨损故障和机械磨损故障。

3.2.1 轴承磨损

轴承是机械设备中一种重要零部件，其主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数。滚动轴承是煤矿旋转机械中最普通的一种零件，也是最容易损坏的，它发生故障的比例占机械设备故障很大一部分。滚动轴承起动性能好，工作可靠，使用维护方便，承载能力强，但减振能力较差，高速运转时寿命低。滚动轴承中的向心轴承(主要承受径向力)通常由内圈、外圈、滚动体和滚动体保持架四部分组成，内圈紧套在轴颈上并与轴一起旋转，外圈装在轴承座孔中。滚动轴承磨损是设备在运行过程中的常见问题，主要是由于轴的金属特性而引起的，金属虽然硬度高，但抗疲劳性差，容易造成疲劳磨损，轴承磨损破坏了轴承与壳体、轴承与轴的配合关系，导致轴线偏离了正确位置，在高速运动时产生异响，轴承磨损使其表面金属剥落，也会使轴承径向间隙增大而产生异响。轴承磨损引起轴承损坏原因很多，也很复杂，如滚道表面金属剥落、轴承烧伤、塑性变形、轴承座圈裂纹、保持架碎裂、座圈滚道严重磨损等都会造成轴承的损坏，轴承损坏会导致机械设备不能运转，会造成采掘工作面停产停掘，若是涉及到矿井安全的通风机、瓦斯泵等安全设备轴承损坏时有可能会造成矿井停产。轴承磨损一般不容易被察觉，只有机器出现高温、异常响动、摆动幅度大等情况时，才会被引起注意，但当人们发现时，大部分轴承都已损坏，已造成设备停机。

3.2.2 机械磨损

3.2.2.1 施钻设备的磨损

据采掘施工工区的统计数据显示，液压钻机打钻施工时，钻杆的前进、后退、旋转频率较高，致使导向部分和耐磨条磨损严重，经常需要更换耐磨条。进给机构里的导向板经常被进给机构及滑架挤压，容易产生三体磨损，是钻架磨损最厉害的部位，磨损严重时，钻架会直接被磨穿，导向板失去其功能。

3.2.2.2 其它磨损

除采煤机、掘进机、钻机、台车等设备容易产生机械磨损外，煤矿还有很多机械设备容易受到磨损而损坏。如液压支架推移油缸缸体、操纵阀、顶梁、前梁、刮板输送机大链、溜槽、风机叶片、胶带输送机托辊等，很多零部件虽然没有和矿体直接碰触，但设备间或者各个部件间的摩擦会产生磨损，甚至有的部位磨损会非常严重。设备的磨损轻则影响工作面生产能力，重则损坏设备，导致矿井减产或停产，给企业带来较大经济损失。

4 有形磨损故障的预防

根据煤矿现场施工经验，有形磨损故障预防主要有两方面的措施，一是采用对煤体或者岩石进行松动爆破，使岩石或者煤体破碎，将煤岩体的硬度、块度减小，通过降低磨料的硬度、块度、刚度来实现减小设备与物体的摩擦力、碰撞力。二是加强设备的检修、维护工作，通过机械设备检修、维护、保养，使设备在正常状态下运行，时刻保持处于额定工况状态，使设备受力均匀，减小设备磨损，延长设备使用寿命。

4.1 松动爆破

煤矿井下松动爆破能够将岩体或煤体破碎成块，同时又不造成煤岩块飞散，松动爆破后岩石、煤块呈现破裂和松动状态，采煤工作面过断层、陷落柱或其它地质构造时，一般先采用风钻打眼，装药爆破后进行人工破碎，尽量减小块度和硬度，再开动采煤机进行切割或者扫货，从而实现减小煤岩块和采煤机的碰撞、摩擦力。综掘机掘进巷道时，掘进工作面遇到硬岩，如石英砂岩、黄铁矿或者硬煤体，综掘机切割困难或者切割力较大时，一般都先实施松动爆破，再进行工作面切割。煤矿井下采掘活动大量采用松动爆破，不但降低煤岩对采掘机械作用体的磨损，同时减小了设备连接部位的磨损，减小设备的整体损耗，提高设备的服务周期。

4.2 机械设备检修、维护和保养

4.2.1 机械设备检修

设备维修根据不同的维修对象、设备采用有针对性的维修方法。一般有预防维修、定期修理、改善维修等几种方式，预防维修是结合设备的运行状况制定有计划性、预防性的检修，如采煤机滚筒上的截齿、行星齿轮、行走轮等，都要进行预防检修。而针对井工煤矿的大型设备，如液压支架、采煤机、综掘机、破碎机等设备一般采用定期修理方式，部分大型设备大修工作安排在地面机修车间进行，如液压支架、综掘机等设备都需要提升到地面进行大修。大型设备维修根据企业年初制定的大修计划进行，同时结合煤矿井下综采工作面的回采回收情况、接续情况、连锁工程施工进度来科学合理的安排检修时间，设备检修时维修人员以五官感觉和仪表测定检查为主，对设备进行点检、巡检、定检，根据检查发现的故障、隐患和问题，及时采取措施进行排除和处理，需更换零部件的立即进行更换，如液压支架立柱、推移油缸损坏，综掘机的密封件损坏都需要进行现场更换。检修完成后，依照相关规定进行细致的质量验收工作，按照检测任务及标准进行验收，检查判断零部件的磨损极值、间隙配合改变值、水平度及平衡度误差和安全保护装置的可靠性等是否都在规定范围内，验收时工作重点要放在对隐蔽零部件的监测及修理记录上，有规定要进行试验的必须进行安全装置动作实验、单个机械的空载、轻载、重载或满载实验。检查验收时企业必须安排专业性、责任心非常强并具有丰富工作经验的人员进行，所有工作都要认真细致地开展。

4.2.2 提升维护水平

煤矿机械的使用往往在地下矿井，受制于其相对恶劣的工作环境，对机械设备的日常维护管理就变得愈发重要，这也是进一步减小磨损失效对机械使用造成负面影响的有效防范措施[5]。企业对机械设备维护要做到制度化、技术化及规范化的三化维护工作，制度化就是要求企业根据不同设备的工作条件、性能、工作方式等安排不同的维修周期，严格按照制定周期进行，技术化是按照机械设备的不同特点，制定有针对性的维护技术规程，要求维护过程实施的各项技术必须按照规程进行；规范化要求同型号、同工艺的设备维护项目必须一致，不能减少程序，规范化需要结合工程的实际标准、进度以及企业相关规章制度来综合考虑；要充分利用现行国际、国内标准进行对标管理，同时要积极的采用新技术、新工艺、新规范、新标准培训检修人员。企业的维护水平高，设备的维护质量和标准就高，煤矿的采煤机、刮板机、液压钻机、主扇等各种设备的性能就正常发挥，磨损消耗就会大大减小。

4.2.3 机械保养

煤矿机械设备的工作环境比较恶劣，故需要做好煤矿机械设备的保养和维护工作[6]。机械设备的保养分为定期保养和特殊保养，定期保养又可分为日常保养及分级保养。

4.2.3.1 日常保养

日常保养就是从事保养的工作人员充分利用交接班的时间进行保养操作。操作内容为对机械外部进行清洁处理、调整机械、预防机械锈蚀、添加润滑剂、加固脱松部件等，重点工作是对过滤、润滑、冷却、转向等运动系统和安全装置的调整和检修。采煤机、综掘机、钻机、锚杆机等旋转型设备必须按规程规范进行日常保养，每天甚至每班都要进行检查，该加油的要定期加油，螺丝该定期紧固的要进行紧固。日常保养要求应用现代润滑技术，将现代润滑技术有效应用在煤矿机械设备维护工作中，达到降低煤矿机械设备故障率，预防磨损现象，提高煤矿机械设备运行效率[7]。日常保养主要针对极易损坏的关键部位、关键零部件，日常保养是保障机械设备正常运转的基础性工作，可以实现故障的早期发现。

4.2.3.2 分级保养

分级保养是根据机械设备的使用次数、使用强度来划分保养等级的一种方式，一般分为一级保养和二级保养，一级保养由普通员工进行，二级保养需要专业技术人员操作。一级保养除了日常保养外，主要包括洗涤各类过滤器和查看各个需要润滑的部件，润滑油不足时及时添加润滑剂；同时消除漏水、漏电、漏气、漏油等问题，调适设备传动部位的松紧度，检查有没有异常声音，有没有裂纹和发热现象。

4.2.3.3 特殊保养

特殊保养包括走合、换季、停用、封存保养，具有临时性，它可以交叉在日常养护中进行。

5 结语

煤矿企业机械化水平是衡量生产技术水平的重要标志，大量使用机械设备有力地推动煤炭企业的工业化进程，能大力提高煤炭生产、加工效率。煤矿机电设备有形磨损故障分析与预防在煤矿现场生产中起到非常重要的作用，通过故障分析提出相应的预防措施，有效地降低设备的故障率，提高开机率，保障设备正常运行，促进企业的正常化生产，从而为企业经济效益提高提供支撑和保障。