中部槽磨损失效分析及抗磨措施研究

祁圣凯，黎文强，马宗彬，韩光普

(河南省煤科院耐磨技术有限公司，河南 郑州 450001)

煤炭工业是关系着国家经济和国民生活的重要基础产业，合理高效的煤炭开采和运输是煤炭行业发展的主要方向[1]。刮板输送机是煤矿机械化开采的核心设备，而中部槽作为刮板输送机最重要的组成部分，在运行过程中，既要作为运输煤料的载体，同时又是采煤机运行的轨道，其质量和寿命直接决定了采煤系统的综采能力[2]。由于中部槽自身的工作特性，加上井下恶劣的工况环境，在运行过程中会与煤料、链条和刮板产生剧烈摩擦，还要承受部分大石块和煤块的冲击，使其成为使用量和消耗量最大的部件。中部槽磨损失效不仅会降低煤炭开采的效率，浪费大量的资源，严重的还会导致事故频发，带来安全问题。因此，中部槽的强度、可靠性和使用寿命是衡量综采装备质量的重要指标。对中部槽进行失效分析，结合煤矿井下工作环境，分析中部槽磨损失效机理，找出影响中部槽磨损严重程度的因素，并提出合理切实的措施，有效提高中部槽的耐磨性，降低中部槽磨损失效率，减少了维修时间和次数，也保证了采煤工作的安全性和高效性。

1 中部槽磨损失效机理

中部槽的磨损是由多种原因造成的，是一个复杂的过程。刮板输送机在生产运行过程中，中部槽会与开采的煤料、刮板和链条长时间相互作用产生磨损，且煤料中一般含有较多的杂质，部分杂质的硬度较高，对中部槽的磨损产生很大的影响，在复杂的工作环境下，承受不止一种形式的磨损，有磨粒磨损、腐蚀磨损、黏着磨损和疲劳磨损[3]，4种磨损形式的磨损在整个过程中存在，且磨损过程各不相同，中部槽磨损情况如图1所示。对各个磨损种类进行分析，有利于改进中部槽的性能，并能结合工况现场磨损情况提出对应的抗磨措施。

图1 中部槽磨损情况Fig.1 Wear of the middle groove

1.1 磨粒磨损

煤料开采后有部分细小的煤颗粒和煤矸石颗粒会残留在刮板、链条和中部槽的间隙处，随着刮板和链条的运行，部分硬质颗粒会对中部槽产生微切削和刮擦，造成磨粒磨损[4]，这种硬质颗粒存在于相互作用的材料之间参与磨损是三体磨粒磨损，中部槽上分布的刮板在运行过程中也会对中部槽产生磨粒磨损，两者互相摩擦，刮板沿着中部槽不断移动造成的磨损成为二体磨粒磨损。2种磨损形式同时存在，使得中部槽表面产生较多细小的犁沟，长时间作用下，切削会逐渐积累发生塑性变形，在刮板和链条的反复作用下，容易产生裂纹，导致磨损加剧。

1.2 腐蚀磨损

煤矿井下开采环境湿度较大，煤炭开采中会产生较多SO2、CO2等腐蚀性气体，再加上各种粉尘，使中部槽使用环境酸碱度偏高，属于腐蚀性介质，极易锈蚀中部槽表层，锈蚀后又被后续磨粒等磨掉，磨损过的表面更易氧化生锈，加速了中部槽的失效[5]。中部槽微裂纹形成后，部分离子等杂质极易进入这些裂纹，加快裂纹的扩展，且在裂纹处产生锈蚀，加速了中部槽的损坏。

1.3 黏着磨损

刮板输送机在运行过程中，中部槽和刮板、链条的接触只是部分凸起之间相互接触，相互接触面积较小，当各自承载后作用在接触部位的压力很大，随着相对运动的不断进行，中部槽和链环之间的如煤粉和氧化膜等隔离膜逐渐消失，使得部分凸起表面温度因摩擦急剧升高，甚至出现熔化现象，在多重压力下链条继续运行，会使这些熔化处发生撕裂，产生黏着磨损。

1.4 疲劳磨损

煤矿开采过程中，煤料和部分石块等固体会掉落，以一定的角度和速度对中部槽产生冲击，当一次冲击时，中部槽表面材料由于具有延展性不会遭到损坏，作为煤料运输的承载部分，中部槽长时间工作过程中要经受煤料、链条和刮板若干次的冲击和磨损，位于中部槽内部应力集中处的裂纹源，在不断的摩擦、冲击下形成裂纹，裂纹在后续的磨损过程中不断扩展，导致疲劳断裂，中部槽表面材料发生疲劳磨损，进而从表面脱落。

2 中部槽磨损失效主要影响因素

2.1 工况环境的影响

不同煤矿开采的煤料性质差别较大，且中部槽的工作环境也有很大的区别。不同煤矿开采的煤料颗粒大小不同，煤料的颗粒越小，对中部槽的磨损程度越小，且小颗粒煤料对中部槽的冲击作用也较小[6]；煤料的含矸率对中部槽的磨损存在较大的影响，煤矸石的硬度远远大于煤颗粒的硬度，且煤矸石一般密度较大，同等体积下的质量较大，在开采过程中会掉落对中部槽产生冲击，还会在运行中增大刮板、刮板链与中部槽之间的磨损；煤矿井下相对湿度较大，不同煤矿水分含量的不同，一方面影响煤料的黏度，进而影响煤料对中部槽的磨损，另一方面潮湿的工作环境容易使中部槽出现锈蚀现象，中部槽出现锈蚀后，大大影响其耐磨损性能；矿井的酸碱度会对中部槽的腐蚀造成极大的影响，进而加速中部槽的磨损失效[7]。

总体来说，中部槽所处的工况环境极易影响中部槽在使用过程中出现的磨损和腐蚀情况。

2.2 运行速度的影响

不同的煤矿，刮板输送机的运行速度是不同的，对中部槽的磨损也有较大的差异。当前，国内煤矿开采一直向大规模、高产高效趋势发展，因此，刮板输运机的运行速度越来越快，相同的材料承受等量的载荷时，运行速度不同，磨损的形式也不相同。输送机在运行过程中，大量的煤矿物会落入到中部槽中，这些煤矿物需要很大的摩擦力才能快速运行[8]，运行速度越快，单位时间内中部槽承载的煤料越多，运行速度增大，会使金属表面发生黏着现象，煤料与中部槽的接触面积会加大，中部槽表面的氧化过程也会发生变化，进而导致磨损形式的变化[9]，使得中部槽的磨损程度增加。

2.3 工作面角度的影响

煤矿进行煤炭开采时，根据实际工况的不同，会存在不同的铺设倾角，一般综采工作面的夹角不超过10°。当水平铺设时，煤块和煤矸石等掉落对中部槽的冲击力最大，而中部槽材料一般韧性较差，有较大的脆性，容易出现表面材料剥落的情况。研究发现，由于中部槽连续工作时间较长[10]，长时间运载状态下，工作面铺设倾斜向下时，中部槽磨损最小；工作面水平铺设时，磨损次之；工作面铺设向上倾斜时，中部槽的磨损程度最严重。随着铺设角度的增大，煤料下落时中部槽受到的切向力增大[11]，表面剥落的材料增多，对中部槽的磨损加剧。

3 中部槽磨损失效改进措施

3.1 合理的操作与维护

中部槽作为刮板输送机的主体部分，影响着企业的生产效益，而其工作环境又是相当复杂且恶劣，因此对于中部槽的维护和保养也是必不可少的。当前，煤炭的开采都朝着高产高效、大规模科技化方向发展，需要提高操作人员素质，加强其技能培训，达到正确、正规操作，避免人为因素造成中部槽的失效[12]。在条件允许的情况下，要定期对中部槽进行清理，部分磨损程度较重的构件及时更换，在一定程度上减小摩擦阻力。在采煤过程中，尽量使工作面保持平直，减小倾角，减轻链条对中部槽的磨损速度。当没有煤料运输时，尽量避免输送机长时间运转，减少不必要的磨损和能量消耗。

3.2 建立健全设备管理制度

中部槽的磨损失效对于整个煤矿行业的安全高效生产都是一个亟待解决的问题，相关企业需要重视设备的维护管理。很多时候中部槽的磨损不仅是自身工作特性的原因，还存在缺乏相应科学合理的维护管理制度而导致的人为因素的问题。严格地做到专人专管、设备的安装运行规范化，结合具体煤矿的特点，制定切实可行的设备维护流程。设备维护管理者要承担自身的责任，严格地落实各项管理制度，根据实际经验及具体情况不断完善管理规则，还要运用先进设备和科技手段对中部槽的运行过程进行检测，严格把控中部槽的磨损情况，发现问题及时解决。对于所发现的问题，做出系统准确的分析，根据分析结果考虑不同的维护方法，并选择切实可行的方案，做到规范管理、规范操作、规范维护，有效降低中部槽的故障率。

3.3 选择合适的耐磨材料

中部槽在使用过程中主要是磨损失效，国内目前刮板输送机材料主要用16Mn作为耐磨钢板，其耐磨性较普通碳钢有所提高[13]，但对于井下的磨损环境和强度要求来说，其耐磨性能达不到使用要求。国内许多研究人员、煤矿厂家逐渐开发出其他耐磨性能较好的材料，比如选择硬度更高的NM400等高强度耐磨钢作为制作中部槽的材料，其耐磨性能有明显的提高[14]。在开发耐磨金属材料时，试选择合适的工程塑料、陶瓷等非金属材料以及复合材料，也可以选择合适的材料进行热处理来增加其硬度[15]，结合中部槽的磨损机理，选择合适的热处理工艺，研发性价比高、综合性能好的耐磨材料。

3.4 表面强化技术

工件的磨损一般都发生在相互作用的表面，因此，利用表面强化技术通过增强中部槽的表面性能以及经济有效地对旧中部槽进行表面修复[16]，成为切实高效地解决中部槽磨损失效问题的方法。表面强化技术可以通过需要的工艺来增强材料的表面硬度和耐磨性，由于不用整体更换材料，具有较高的性价比，能够充分发挥材料的优势，被广泛用于材料表面的强化修复。常采用堆焊或熔覆的方法，将耐磨合金材料高温下熔化以冶金结合的方式在基材表面形成耐磨涂层，大大提高中部槽的使用寿命。根据中部槽使用的具体工况环境，选择合适的耐磨材料、堆焊厚度和耐磨材料布局等，且可以根据用户的需求在基材表面堆焊出不同形状、大小的耐磨层[17]，耐磨处理后中部槽的整体耐磨性能有明显的提升，大幅度提高其使用寿命，减少中部槽的维修次数和维护成本。等离子熔覆耐磨强化处理的中部槽中板如图2所示。

图2 等离子熔覆耐磨强化处理的中部槽中板Fig.2 Plasma cladding wear-resistant and strengthened middle groove plate

4 结语

刮板输送机是高产高效、大规模综采的核心运输装备，中部槽作为刮板输送机的关键构件之一，其使用寿命直接决定着整套综采系统的效率和质量。作为井下煤料运输的中部槽其工作环境较差，在使用过程中会受到严重的磨损和腐蚀，极易导致失效。通过分析中部槽磨损失效机理，结合具体工况环境，找出影响中部槽磨损严重程度的因素。为减轻中部槽的磨损、延长中部槽使用寿命，煤矿工作人员在工作中应合理规范地操作，加强设备的维护和保养；管理者要根据自身煤矿情况制定完善可行的设备维护管理规则，形成完整的中部槽全寿命周期管理体系。相关研究人员选择和开发合适的耐磨材料并应用表面强化技术，能够有效提高中部槽的耐磨性，提高中部槽的使用寿命，保证中部槽在采煤过程中的平稳高效运行。

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