煤礦機械磨損失效問題的研究

張　佳

（西山煤電西曲礦排矸三隊， 山西　古交　030200）

引言

礦山機械當中的各種設備包括：采煤機和掘進機上的截齒、齒座、截盤、滾筒，絞車、運輸機、采煤機上的齒輪，刮板運輸機的中部槽、刮板、鏈條、鏈輪，煤車軸、皮帶托輥，提升鋼絲繩，液壓支架的閥門、缸體和柱塞，煤水泵、泥漿泵及其輸送管道，選煤廠的破碎機、溜煤槽、斗子鏈板、篩子板、挖掘機斗齒、裝巖機溜槽以及鋼軌、釬鋼，這些設備磨耗失效的速度和范圍是十分驚人的。據相關調查統計報告顯示，當前全國煤礦系統因煤礦機械磨損失效問題而導致的經濟損失每年高達800億元以上，因此對其磨損失效問題及對策的研究有重要理論意義和現實意義[1]。

1　煤礦機械磨損失效的原因

當前煤礦開采主要是分露天開采與井下開采兩個大方向，一般井下開采的工作環境更加惡劣，其磨損失效問題更加嚴重。

1.1　露天開采機械的磨粒磨損機理

磨粒磨損的定義為硬質顆粒與物體表面進行摩擦從而導致在摩擦過程中硬質顆粒的突出物對對方物體表面進行了表面劃傷而導致的表層材料脫落的現象。在露天開采過程中，機械設備的上空彌漫著大量的煤粉磨料顆粒，在其雜亂無章的運動過程中就會形成磨粒磨損。磨粒磨損的因素較多，包括磨料的大小、形狀和硬度[2]，包括機械設備材料的表面硬度等因素。煤炭開采出來后不僅僅是具有碳元素，還有很多的硬物雜質，其綜合的硬度很好。一般都需要先計算煤礦煤層的硬度，再去購買相匹配硬度的煤礦機械設備。對于煤層硬度大于4的煤層顆粒的硬度更高，其對割煤機的磨粒磨損情況就非常嚴重了。

1.2　井下開采機械的腐蝕磨損機理

煤礦井下工作環境比較惡劣，其空間的溫度非常高，濕度也大，化學酸堿度也高。采煤機械長期處于這樣的環境當中，非常容易發生相應的化學反應導致機械受腐蝕，這樣的腐蝕機理叫腐蝕磨損。腐蝕磨損的反應速度非常快，機械設備極易處于不能正常工作的狀態。另外井下各設備都處于供電狀態下，電流的存在更加快了腐蝕磨損的速度[3]。

2　不同機械磨損失效的形式分析

2.1　采煤機和掘進機的磨損

采煤機與掘進機是開采中的主要設備，其截齒是割煤的主要部件。截齒與煤層直接接觸發生相應的摩擦實現其割煤的主要工作，從磨損形式上來看，其主要屬于摩擦磨損。當煤層中存在著很硬的礦物時，這種磨損就會加劇，從而還會產生800℃的高溫。在這樣的狀態下截齒的磨損情況是非常嚴重的，有時甚至于會直接發生斷裂情況。采煤機與掘進機當中的滾筒磨損也是非常嚴重的，煤塊切割下來后需要沿著螺旋滾筒進行軸向移動，在這個過程中的摩擦非常大，其螺旋葉片可以從最新的25 mm磨損到1～2 mm。另外滾筒的端盤齒座與換刀孔的磨損也是非常容易被磨損的部位，每年因其磨損造成的經濟損失非常之大。

2.2　刮板輸送機的磨損

刮板輸送機使用鏈條拖動原理實現其運送煤炭的作用，另外它還是井下運行軌道的必備設備。從刮板輸送機所處的工作環境來看，其主要是摩擦磨損與腐蝕磨損并存。刮板輸送機當中的中部槽與鏈條是最容易被磨損的部位。根據其工作軌道發現中部槽在受到煤、刮板和鏈的作用下發生嚴重的磨損，另外其自身的鋪設角度的問題也加速了磨損的速度。刮板輸送機中的鏈條長期磨損，容易發生直接斷鏈現象，這是其最主要的失效形式。鏈條與中部槽的摩擦接觸，鏈環之間的接觸，都會產生劇烈摩擦造成鏈條斷裂[4]。

2.3　礦井提升機的磨損

礦井提升機當中容易磨損的部件主要是鋼絲繩與箕斗。鋼絲繩在工作過程中，其與滾筒天之間長時間的摩擦加之出現的“咬繩”現象都使得鋼絲繩的磨損加劇。另外鋼絲繩還會由于張力的不平衡而導致的往復竄動現象也會加速其他磨損?；吩谘b、運、卸的途中由于直接多次摩擦也導致嚴重的磨粒磨損。另外箕斗在下井的途中，環境中的水和空氣會造成化學反應從而發生化學腐蝕。再加上摩擦因素，其表面就非常容易脫落，長期以往就會失效。

3　優化煤礦機械磨損失效采用的對策

3.1　提高機械設備材料的硬度

露天開采機械的磨損形式主要是磨粒磨損，那么其主要的解決對策是提高機械設備材料的硬度來緩解其磨損。相關實驗研究表明[5]，當金屬材料的硬度是與其發生摩擦的磨粒硬度的1.3倍以上時，金屬材料的耐磨性能性是比較好的，其使用的壽命也比較長。邵荷生教授研究了煤做為磨料的磨損性能與材料硬度的關系，如圖1所示。

在機械設計階段，就需要考慮好金屬材料的選擇問題。還需要考慮到金屬材料的工作環境所造成的腐蝕磨損。另外對于大磨粒鑿削狀態下的磨損，還需要進一步改善其表面的耐磨性。馮仕炎等人就采用最新的激光熔覆技術來改善金屬材料表面的耐磨性，其對45鋼材料的表面使用激光熔覆了Ni60+15%WC的合金粉末，其表面的硬度和耐磨性得到大大提高，基本上能滿足當前的需要。

3.2　降低氧化磨損

井下的復雜環境要求其防范對策需要進行全方位的考慮。對于機械的腐蝕磨損，其發生磨損的速度是由表面的氧化膜與基體金屬的結合能力，同時也由金屬表層的塑性變形能力所決定。降低氧化磨損的有效途徑是采用發藍、磷化、蒸汽處理、滲硫及有色金屬的氧化處理等。此外，提高基體表層硬度，增加表層塑性變形能力，也可減輕腐蝕磨損[6]。

圖1　材料硬度與磨損率的關系

3.3　制定機械設備管理制度

煤礦開采的工作環境決定了機械設備必定存在嚴重的磨損現象，那么就更需要做好機械設備的維護管理工作。在工作過程中，機械設備必須要按煤礦的工作制度嚴格規程，避免超速、超載情況的發生而導致更加嚴重的磨損。要定期對設備進行檢測和維修，確保所有的設備都是在良好的狀態下工作。另外機械設備管理部門應該從摩擦學及磨損機理的視角去了解和掌握相關的專業知識，為解決機械的磨損失效問題提出相應的建議供技術人員做相關的技術研究。做好機械設備的管理工作是當前防止機械磨損失效問題的最簡單和經濟的一種途徑。

[1]龐英華.煤礦機械磨損失效問題的研究[J].山東煤炭科技，2017（6）：113-114.

[2]黎文強，馬宗彬，丁紫陽.煤礦機械磨損失效及表面改性技術的研究[J].煤礦機械，2017，38（7）：114-116.

[3]馮仕焱.煤礦機械磨損失效與激光熔覆研究[J].煤炭與化工，2015，38（6）：67-69.

[4]陳力捷.煤礦機械磨損失效分析和抗磨措施[J].煤炭技術，2011，30（6）：20-21.

[5]朱華，吳兆宏，李剛，等.煤礦機械磨損失效研究[J].煤炭學報，2006（3）：380-385.

[6]王丹.煤礦機械磨損失效問題探討[J].機械管理開發，2017（10）：24-25.