煤礦機械磨損失效及表面改性技術研究

曹振華

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司設計院， 山西 介休 032000）

1 煤礦設備失效分析

煤礦開采設備所處環境較為惡劣，經常會在潮濕、腐蝕的環境中作業，且開采期間，煤礦機電設備表面還會承受不同程度的重載沖擊與嚴重摩擦。加之煤礦設備體積較大，以致得不到及時保養，各個運轉部件也沒有得到有效潤滑，久而久之，機械設備便會出現磨損、腐蝕等問題，從而導致失效[1]。

1.1 截齒失效

采煤機截割煤層的關鍵零件便是截齒，其也是開采期間消耗量最大的零件，會直接接觸煤層與巖石，因此很容易發生磨損問題。同時，在截割煤層過程中，截齒還會因摩擦產生高溫，加重磨損程度。

1.2 中部槽失效

運輸期間，刮板運輸機由于受煤塊以及巖石等顆粒沖擊的影響，中部槽很容易出現磨料磨損問題。同時，在綜采表面的運行過程中，中部槽也會受到腐蝕液體以及氣體物質的影響，從而造成腐蝕與磨損問題。

1.3 液壓支架立柱失效

在整個綜采過程中，液壓支架具備重要的支撐防護作用，且支柱也屬于關鍵的承載部件，由此看出，立柱直接影響著整個綜采作業的安全性。但由于井下具備較大濕度且存在較多的粉塵顆粒，這也使得液壓支架長期處于惡劣的酸堿環境中，從而使其表面極易出現劃痕與腐蝕問題，不但會影響液壓支架的舉升效果，甚至危及整個煤礦開采工作的安全性。

2 引起煤礦機械設備磨損失效的因素

在分析煤礦機械設備磨損失效原因時，不但應對作業過程、現場環境、作業內容以及后續保養等方面進行考察，且還應進行理論分析，有效統計煤礦設備的磨損情況，評估企業的經濟損失。統計分析發現，小型煤礦為了解決機械設備磨損失效問題需要投入千萬元資金，而大型煤礦甚至需要投資上億元。

煤礦開采可以分為露天開采以及礦井開采等方式，且多數采取井下開采方式。具體情況見表1。

表1 煤礦機械磨損失效情況

可見，相較礦井開采，露天開采的機械磨損失效情況較好。由于露天開采環境酸堿度比較適中，且地處開闊，因此后期維護更容易，降低了磨損程度[2]。

從地理方面看來，礦井下環境潮濕其溫度遠遠高于外界，土壤的酸堿度較高。而多數煤礦機械設備由鋼、鐵等合金制成，在潮濕的酸堿環境下很容易發生化學反應，使得其表面受到腐蝕。更嚴重的是，機械設備必須依靠電力維持運行，而大量的電流也會加重腐蝕程度，甚至機械內部也會受到腐蝕。且上述作業需要每天重復，因此，此過程導致的磨損最為嚴重。

從開采過程看來，期間煤炭硬度會對機械設備產生很大的損傷，且硬度越大，磨損越嚴重，甚至當煤炭硬度超過標準值后，還會對機械設備產生不可逆的損傷[3]。

3 煤礦機械表面改性技術

隨著工業的快速發展，表面改性技術已在煤礦機械設備以及產業結構升級方面得到了廣泛采用，煤礦機械方面也開始引入更多的先進技術。表面改性技術的應用可以有效解決煤礦設備失效問題，不但提升了設備的整體運輸性能，且還會節約原料，降低開采成本。

噴涂、焊絲堆焊以及鍍鉻等傳統的處理技術均屬于煤礦機械表面處理技術，但這些技術均不同程度存在缺陷。表面噴涂技術的操作流程較為簡單，但與機械設備表面屬于機械結合，強度較低，因此不能使用于重載荷、大沖擊以及潮濕腐蝕情況下的機械設備。鍍鉻工藝主要使用在液壓支架方面，其操作簡單，且成本較低，但實際使用時極易腐蝕，需要企業定期檢修，同時此技術使用期間還會出現嚴重污染環境的六價鉻，因此已被明令禁止。焊絲堆焊技術也較為簡單，但工作期間很容易出現氣孔以及焊渣等問題，因此不能大范圍使用至煤礦機械設備中。而當前煤礦機械新型的表面改性技術主要包括等離子熔覆技術與激光熔覆技術。

3.1 等離子熔覆技術

等離子熔覆技術主要對設備表面進行強化處理，期間會使用等離子熱源方法以及熔覆材料。實際使用時，作業人員應結合機械設備的實際運行情況選擇恰當的熔覆材料，以提升其表面性能。

在處理截齒磨損嚴重的齒頭表面時，等離子熔覆強化處理技術主要利用高硬度、高耐磨性且含有碳化物硬質顆粒的合金粉末進行耐磨熔覆強化處理，以有效提升截齒表面的耐磨性，延長使用壽命，提高截齒采煤的截割效率。等離子耐磨熔覆層如圖1所示。

在處理中部槽易磨損部分時，應使用高硬度、耐沖擊的耐磨合金粉末，利用等離子熔覆技術進行耐磨強化處理，增強中部槽耐磨度，避免設備被磨損。同時，在等離子強化處理期間，一節中部槽相當于以往兩節以上的中部槽，不但增加了采煤運輸量，也延長了設備的使用時間，增大了煤炭的開采量。具體處理過程如圖2所示。

3.2 激光熔覆技術

激光熔覆技術屬于新型的表面改性技術，主要激光熔覆強化處理機械設備表面，期間會使用激光束技術以及激光熔覆材料。同時，在煤礦開采期間，此技術主要被用于改性液壓支架立柱的表面。在處理過程中，主要將高硬度、耐腐蝕且性能優異的霧化合金粉末作為激光熔覆材料，并對設備立柱表面進行改性。激光熔覆設備運行期間不會出現氣孔，且其運行穩定不會產生有害物質，屬于綠色環保的設備表面改性技術。除此之外，此技術可以完全替代傳統表面鍍鉻技術，提高機械設備的耐腐蝕以及耐磨損度，降低煤礦企業的維修成本。

圖1 截齒錐形齒頭表面等離子耐磨熔覆層

圖2 中部槽中板等離子熔覆耐磨強化處理

4 實際效益分析

由于井下環境的復雜性，實際開采期間，大量的機械設備均存在因磨損而報廢的問題，根本沒有達到既定的使用期限。可見磨損問題造成機械設備的嚴重浪費。而在煤礦開采行業中引入新型的表面改性技術可以有效緩解上述問題，且得到了機械設備生產企業的有效認可。相較傳統的表面改性技術而言，等離子熔覆技術和激光熔覆技術具備設備穩定、表面性能穩定、強化處理效果好以及熔覆效率高等優勢，且高效環保，不會污染環境。同時，在煤礦機械設備改性期間采用新型的表面改性技術，還可以增強設備的耐磨度與抗腐蝕性，可為企業節省大量的新設備支出費用。

5 結語

煤礦生產環境十分復雜，挖掘生產期間必須采用多種復雜的機械設備，這也導致了機械失效形式的多樣化。而等離子熔覆技術以及激光熔覆技術可以有效改善煤礦機械設備的磨損問題，延長設備的使用壽命，是煤礦機械設備未來發展的必然趨勢。