地下鋁土采礦機導向行走裝置的磨損原因與對策

章立強

（1.中國煤炭科工集團上海有限公司，上海 200030；2.天地科技股份有限公司上海分公司，上海 200030）

全球鋁土礦資源非常豐富，但分布極不均衡，其中幾內亞、澳大利亞、巴西三國儲量合計占全球儲量的近60%，中國僅占3%。盡管全球鋁土礦和原鋁產量持續上升，經濟快速發展的中國目前對鋁土資源需求缺口依然很大。為滿足生產需要，一方面我國不斷大量進口鋁土礦并逐年增大比重；另一方面國內也在積極地探尋鋁土礦資源，尤其是對占比量大的地下鋁土礦產資源，著重考慮加強資源開發，不斷進行開采技術革新（提高開采效率、增加回收率、降低貧化、促進綠色開采等）［1-5］，以此來降低生產成本、減少進口資源依賴、改善環保等問題［6-8］。目前地下鋁土礦生產主要根據不同的礦體賦存條件，采用傳統有色金屬采礦方法［9］，存在的主要問題有：回收率僅有30%～50%，資源損失浪費嚴重；圍巖破碎不穩固，地壓管理困難，作業人員安全保障程度不高；投入少，勞動生產率低，采礦成本高；單礦塊生產能力低，采切工程量大，巷道、采場維護工作量大。因此，加快鋁土礦地下機械化開采方法研究勢在必行。

借鑒煤礦綜合機械化安全高效開采的優勢，采用滾筒式采礦機實現地下鋁土礦開采有助于實現鋁土礦資源安全高效開發［10］。國內鋁企于近年來開始嘗試將煤礦綜采技術引入地下鋁土礦開采［11-15］，通過對鋁土礦的物理特性（硬度、磨蝕性、黏結性、密度等）與開采要求（含水率、回收率、貧化率等）的分析，進行了由采煤機向采礦機系統的開采裝備改造［16-18］與采礦方法創新［19-21］。然而在使用過程中，仍然出現了新的問題，如采礦機導向行走裝置的磨損問題等。本研究根據采礦機實際使用中出現的磨損現象，進行理論與影響因素的的綜合分析，提出改善或解決磨損問題的對策，并進行二次試驗驗證與經驗總結。研究針對高磨蝕性礦料開采裝備特點有利于解決導向行走裝置的磨損問題、提高開采經濟性，形成地下鋁土礦連續機械化系統開采工藝。

1 設備及磨損

1.1 設備結構

地下鋁土礦開采工作面綜采設備的端面圖如圖1所示。多節輸送槽連接的輸送機于工作面礦層側邊平行鋪設，每節輸送槽后連接相應的支護架平行于礦層排列，采礦機騎跨于輸送機頂部并位于支護架下方；采礦機沿工作面礦壁來回行走切割并裝載礦料，進入輸送槽內的礦料由輸送機運輸至端部輸送設備繼續運輸遠離工作面。

軌道座焊接固定于每節輸送槽上，軌道安裝于軌道座頂部，隨著輸送槽上的多節軌道單元依次可鋪設成縱向連續的軌道，軌道單元設置有齒與齒槽間隔分布結構；設置于采礦機內由動力驅動經傳動系統并于末端動力輸出的行走輪，可繞其回轉軸旋轉；采礦機行走輪輪齒與軌道（單元）齒進行嚙合，實現采礦機沿工作面礦層移動。為了保證嚙合效果，采礦機還設置有穿套于軌道外的導向滑靴，為行走系統沿軌道前行進行導向，保持行走輪與軌道處于良好的嚙合狀態（圖2）。

1.2 磨損現象

鋁土礦料中主要構成物質為Al2O3（俗稱剛玉，是砂輪等耐磨材料的主要成分），開式傳動環境下其高磨蝕性會使滑動接觸面出現嚴重磨損，尤其是高接觸應力條件。為此，采礦機研制了具有更大硬化層深度的行走輪與導向滑靴。然而通過實際應用檢驗，仍沒有徹底解決行走系統的磨損問題。

行走裝置各零件失效形式如圖3所示。導向滑靴底勾導向面磨損嚴重，單側磨損明顯；行走輪齒面磨損，中上部齒面磨損形成了尖齒頂，單側齒面磨損明顯；軌道（單元）副立板底面磨損嚴重（磨損深度為5～15 mm），銷齒面壓痕靠上。采礦機移動過程行走部發出尖銳摩擦噪音，工作面傾角較大時爬坡困難。通過分析零件失效現象可知，實際使用狀態遠遠超出正常嚙合范圍，屬于異常嚙合，行走輪磨至齒尖（嚴重者齒厚被磨去近1/3），軌道銷齒面壓痕接近頂部小圓弧。

2 原因分析

2.1 理論分析

根據導向滑靴底勾、行走輪齒頂、軌道單元銷齒以及軌道單元副立板底面的磨損情況，初步判斷行走輪與軌道在嚙合過程中中心距處于增大狀態。為了判別實際嚙合狀態，根據具體嚙合參數，對增大狀態下的不同中心距進行嚙合研究，按軌道的最小、最大及固定節距形成嚙合狀態（最大、最小節距出現在軌道連接處），繪制了綜合磨損量達到35 mm、50 mm時最小節距狀態的嚙合圖，如圖4所示。

導向滑靴底勾上表面與軌道副立板下表面接觸摩擦磨損形成綜合磨損量，使得行走輪相對軌道上移，形成增大狀態的嚙合中心距。按0、8、20、35、50 mm增大的嚙合中心距，給出定量嚙合狀態圖，得到綜合磨損量與齒面嚙合痕跡對照圖，如圖5所示。未及時更換易損件（導向滑靴與軌道單元）致使綜合磨損量超差，從而在過大的嚙合中心距條件下異常嚙合時，嚙合痕跡在行走輪與軌道銷齒面的嚙合位置都偏向齒頂，這一現象與嚙合理論相符，如圖6所示。

通過圖5確認零件失效部位（導向滑靴的底勾上表面與軌道副立板下表面）的最惡劣嚙合狀態基本達到50 mm的綜合磨損量（甚至更大），該異常嚙合狀態相比正常嚙合狀態（綜合磨損量0 mm）存在的問題主要有：①導向滑靴底勾接觸面正壓力由行走輪輸出力的25%增大至57%以上，摩擦阻力增加一倍以上，導向滑靴底勾與軌道副立板底接觸面快速磨損失效，磨損速度急劇上升（硬化層磨損后的軟基體接觸，磨損狀態更加惡化）；②行走輪輸出力在移動方向的理論牽引力由97%減小至82%，變化量達到15%，采煤機爬坡能力大大減弱。異常嚙合狀態下出現的采礦機行走系統伴隨尖銳刺耳噪音、爬坡困難等問題與理論分析相符。

2.2 影響因素

由上述理論分析可知，導向滑靴底勾上表面、軌道副立板下表面的綜合磨損量過大，會急劇加速嚙合系統零件的失效。針對鋁土礦巖開采環境，引起快速綜合磨損的因素主要有開采巖石塊度與硬度、導向滑靴底勾上表面與軌道副立板底面處綜合磨損量超差、開采工藝。

2.2.1 開采巖石塊度與硬度的影響

巖塊在軌道齒槽內堆積，尤其是兩節軌道單元接頭（軌道座處）位置的齒槽，碎石下漏空間有限，如圖7（a）所示，巖塊被行走輪破碎后不能完全漏出齒槽，行走系統嚙合過程中軌道副立板底面與導向滑靴底勾上表面則會形成巨大的正壓力并破壞接觸面，綜合磨損后采礦機行走輪呈被迫上抬趨勢。巖石硬度越大，行走輪越難破碎，軌道立板與導向滑靴底勾的受力越大，接觸面刮削效果越明顯，兩者被破壞越嚴重，壽命越短；主要表現為運行過程中出現尖銳摩擦噪音，軌道單元軟基體很容易被快速刮削出現尺寸超差，導向滑靴雖有較厚耐磨層，但與多節軌道單元相比，接觸面積有限磨損壽命也短，導致底勾處的綜合磨損量很快超差。

巖塊在軌道側方堆積壓實后也會使導向滑靴相對于軌道側轉上抬（圖7（b）），促使行走輪上抬并靠上嚙合、底勾有效接觸面收窄（變為線性接觸）。巖塊在軌道下方堆積壓實后更會使機身向礦壁靠移（圖7（b）），導向滑靴副立板接觸受力增大，行走輪齒與軌道齒槽內側面安全間隙減小（在導向滑靴底勾處綜合磨損、導向滑靴副立板耐磨層磨損后，效果更明顯；在軌道副立板底面磨損、軌道立面磨損后，即使換上新導向滑靴，也可能會使行走輪齒與軌道齒槽內側面出現刮擦）。實際使用中軌道周邊（包括齒槽、下方與側方）礦巖堆積情況如圖7（c）所示。

2.2.2 導向滑靴底勾上表面與軌道副立板底面處綜合磨損量超差對嚙合的影響

如前所述，當采礦機為了適應環境需要更大的牽引輸出扭矩時（如破碎軌道齒槽巖石、傾角工作面爬坡、截割堅硬礦層等），過大的綜合磨損量使得行走輪相對于軌道嚙合點上移（此時磨損的導向滑靴與軌道已無法保證行走輪與軌道處于正常的嚙合狀態）。嚙合區上移后帶來的導向滑靴底勾上表面與軌道副立板下表面間接觸正壓力及摩擦阻力成倍增加，理論牽引力大大降低，接觸面磨損導致使用壽命急劇下降，形成惡性循環。同時，行走輪與銷齒嚙合點上移，致使行走輪齒頂處磨尖、磨突，軌道齒面、齒頂圧饋、碎裂，出現嚙合沖擊甚至斷齒；導向滑靴與軌道過大的綜合磨損，不僅出現導向滑靴、軌道的加速磨損現象，而且導致行走輪提前失效。

2.2.3 開采工藝對嚙合的影響

由于鋁土礦層呈不規則分布，因而工作面呈不同的傾角布置，采礦機需要適應相應的工作面。針對鋁土礦巖的開采，一般采用下行開采，上行掃裝浮料的單向開采工藝，這種情況下導向滑靴等易損零件的磨損有如下特點，以右工作面開采為例，如圖8所示。

采礦機沿工作面下行開采時，軌道齒槽內會堆積大量崩落或滾筒甩出的巖塊，右導向滑靴框口對高出軌道頂面的巖塊進行破碎（底勾為懸臂結構，相比頂部其強度與耐磨層更容易被破壞）；同時由于行走輪的破巖作用，承受反作用力的右導向滑靴的底勾將受到更大的擠壓力，更容易使耐磨層碎裂后引起基體快速磨損。該情形下，右導向滑靴的右側底勾更容易磨損。

采礦機沿工作面上行掃裝浮料時，軌道側方不易推移的巖塊對左導向滑靴產生阻力，導致左導向滑靴右側底勾上翹磨損。該情形下，左導向滑靴的右側底勾更容易磨損。

巖塊致使導向滑靴產生附加受力，在下行開采上行空刀的單向開采工藝中，容易出現左右導向的下側底勾偏磨，如圖3（a）所示。

3 對策及應用效果

3.1 主要對策

（1）改善開采條件。①徹底清理軌道齒槽、側方、下方的巖塊，盡可能減少其對行走系統的額外受力；②及時清理軌道與導向滑靴接觸面的巖粉（如冷卻水沖淋），減小行走系統滑移接觸面的磨粒磨蝕影響；③必要時可采取巖層弱化工藝（工作面硬巖層松動措施）。

（2）優化設備。①導向滑靴、軌道主要摩擦受力導向面采取進一步的硬化、耐磨處理措施，提高耐磨壽命；②研發新型行走嚙合系統，如導向滑靴采用分體結構，磨損后只需更換底勾，降低使用成本；行走系統采取潤滑措施，對齒輪、導向滑靴、甚至軌道的相應摩擦面進行必要的潤滑，減少磨損，提高使用壽命。

（3）強化維護。①根據嚙合痕跡示意圖（圖6），快速判斷現場導向滑靴底勾與軌道的綜合磨損狀態，根據維護標準及時更換磨損超差零部件，解決影響導向行走裝置的主要問題；②定期檢查導向滑靴與軌道間的其它接觸面磨損量，當導向滑靴底勾耐磨面與軌道接觸，頂部總間隙超過20 mm時（理論間隙為8 mm），需要及時更換過度磨損的導向滑靴或軌道；當導向滑靴礦壁側耐磨面與軌道接觸時，軌道與導向滑靴采空側副立板耐磨面間隙超過22 mm時（理論間隙為10 mm），需要及時更換導向滑靴或軌道。

3.2 應用效果

通過分析導向行走裝置磨損的主要影響因素，并采取現場定時清理軌道、加深軌道主要受力面硬化層、定期檢查綜合磨損量及時更換磨損超差零件、采用分體式導向滑靴等多種方法后，進行了地下鋁土礦工作面的進一步試驗。近0.5 a的試驗表明，原有開采方式的導向行走裝置壽命由1個月提高至3個月以上，效果明顯。同時由于采用了分體式導向滑靴，只需更換局部磨損部位而不需整體更換，大大降低了高價值易損件的使用成本，縮短了維護時間。

4 結 論

（1）減少鋁土礦開采中硬質塊狀礦巖對軌道嚙合系統的影響，可大大提高采礦機導向行走裝置的使用壽命，該理念適用于類似結構的所有行走系統，如現有煤礦綜采采煤機開采解放層等硬質物料的場合。

（2）改善使用環境、強化現場維護、優化設備等多方面協作，有利于降低鋁土礦開采裝備行走裝置磨損的影響。

（3）進一步優化方向有：①軌道設備優化，進一步研究軌道結構，解決硬質塊料在軌道齒槽中滯留對采礦機行走輪與軌道嚙合造成的影響，尤其是在軌道之間軌道座對齒槽漏料的阻礙問題，這是解決磨損問題的關鍵；②開采設備優化，進一步優化導向行走結構，改善導向滑靴與軌道的受力，減少導向面的磨損，延長使用壽命；③使用環境改善，進一步研究導向行走裝置的配套結構，分離硬質塊狀礦料對嚙合系統的影響，該方向的成果仍可應用于現有的采煤設備。