刮板輸送機中部槽金屬對磨試驗分析

任丙超

（冀中能源邯鄲礦業集團通方煤礦機械有限公司，河北邯鄲）

刮板輸送機是長壁工作面采煤中的常用設備，中部槽作為刮板輸送機的核心部件，其耐磨性能將直接決定刮板輸送機的使用壽命和運煤效率。由于井下工作環境惡劣，加上刮板輸送機經常超負荷運行，導致中部槽金屬磨損嚴重，如何提升中部槽金屬的耐磨性能，在滿足刮板輸送機日常運行要求的前提下最大程度的降低磨損，成為研究的熱門課題。摩擦試驗機可用于金屬、橡膠等多種材料的耐磨性試驗，利用摩擦試驗機模擬刮板輸送機的多種運行工況，分別設定不同的加載壓力、滑動速度、磨損行程等變量，探究不同變量對中部槽金屬的磨損影響，為優化刮板輸送機的運行管理提供借鑒。

1 刮板輸送機中部槽金屬對磨試驗設計

1.1 試驗裝置

本文選用山東保航立式萬能摩擦磨損試驗機進行中部槽金屬對磨試驗，該裝置由主機、氣壓加載系統、冷卻循環系統、傳感器系統和數控系統組成。額定功率20 kW，最高溫度360 ℃，最大轉速1 800 r/min，可提供2 000 N 摩擦力，試樣中心回轉半徑200 mm。在刮板輸送機中部槽金屬對磨試驗中，摩擦系數（μ）和磨損量（M）是兩個關鍵參數。其中，摩擦系數計算公式如下

式中：f 表示摩擦力；F 表示施加在試樣上方的正壓力，單位均為N。磨損量的計算公式為

式中：M1表示對磨試驗前試樣的質量；M2表示對磨試驗后試樣的質量，單位均為mg。

1.2 試驗材料及方法

參考刮板輸送機中部槽的形狀制作了3 種不同材質（分別為16Mn、NM400、HD400），長和寬均為30 mm、厚度為5 mm 的正方形試樣，并對試驗進行打磨處理。第一遍用砂輪粗磨，第二遍用粗砂紙精磨，第三遍用細砂紙精磨。摩擦盤采用45 鋼。試驗方法如下：用電子天平精準稱量打磨后的試樣，記錄此時的重量。將中部槽試樣放置到試驗機的加載部位（如圖1所示），測試人員在試驗機上設定磨損行程、試驗溫度、加載壓力、滑動速度等可變參數后，啟動機器開始對磨試驗，摩擦盤以順時針方向轉動。試驗結束后，將試樣取下，用酒精布將磨損面擦干凈，待酒精完全揮發后將試樣置于精密電子天平上稱量其重量[1]。

圖1 刮板輸送機中部槽金屬對磨試驗示意

2 刮板輸送機中部槽金屬對磨試驗結果及分析

2.1 磨損量與磨損行程的關系分析

選擇16Mn、NM400 和HD400 三種不同類型的鋼試樣進行對磨試驗。在試驗中將磨損行程（轉數）作為唯一變量，探究磨損行程從0 增加至60 000 轉過程中三塊試樣磨損量的變化，結果如圖2 所示。

圖2 磨損量與磨損行程的關系

由圖2 可知，隨著磨損行程的增加，3 塊試樣的磨損量均呈現增長趨勢，這說明在整個對磨試驗過程中，3 塊試樣均處于穩定磨損狀態，磨損量與磨損行程正相關。橫向對比可以發現，隨著磨損行程的增加，3塊試樣磨損量的差值也在拉大。在磨損行程為10 000轉時，16Mn 試樣的磨損量為18 mg，HD400 試樣的磨損量為5 mg，兩者相差13 mg。在磨損行程（轉數）為60 000 轉時，16Mn 試樣的磨損量為120 mg，HD400試樣的磨損量為60 mg，兩者相差60 mg。按照這一趨勢，繼續增加磨損行程，不同試件的磨損量差異將會更加明顯[2]。

2.2 加載壓力對摩擦系數的影響

統計16Mn 和NM400 兩塊試樣在不同磨損行程下的摩擦系數，結果見表1。

表1 不同材料摩擦系數與磨損行程的關系

根據表1 數據，可以將兩塊試樣的磨損過程大體分為兩個階段：其一是磨損初期的跑合階段，該階段摩擦系數快速增加；其二是穩定階段，該階段摩擦系數在小范圍內波動[3]。分析其原因，打磨后的試樣不可能做到完全光滑，在對磨試驗的跑合階段試樣表面的凸體率先與摩擦盤接觸，直到凸體被完全磨平后才進入穩定階段。在跑合階段，NM400 材料的表面硬度更高，所以凸體不容易被抹平，因此NM400 試樣完成跑和過程內需要更長時間。

以NM400 試樣為例，將壓力工況分別設定為5 N、10 N、15 N、20 N，探究不同加載壓力下試樣摩擦系數與磨損行程的關系。結果表明，當加載壓力從5 N 增加至20 N 后，試樣能夠更快進入穩定磨損階段，并且在穩定后摩擦系數更低。這是因為在加載壓力較大的情況下，試樣表面接觸壓應力也會相應增加，微觀上的表面凸體加速磨平，從而在對磨試驗開始后迅速進入穩定磨損階段。

2.3 工況對磨損量的影響

2.3.1 滑動速度對磨損的影響

在煤礦開采與運輸中，由于綜采工作面的采煤效率不同，刮板輸送機的鏈速也需要頻繁的調整[4]。在不同的滑動速度下，對中部槽金屬的磨損也會表現出區別。為了探究滑動速度對中部槽金屬磨損量的影響，試驗中將滑動速度作為唯一變量，將加載壓力調整為5 N，設定0.8 m/s、1.0 m/s、1.2 m/s、1.4 m/s、1.6 m/s五個速度，記錄不同速度下16Mn、NM400 和HD400三種試樣的磨損量，結果如圖3所示。

圖3 低壓下磨損量與滑動速度的關系

由圖3 可知，在加載壓力恒定的情況下，三種試樣的磨損量隨著滑動速度的增加呈現出增長趨勢，并且前期磨損量的增速較快；在滑動速度達到1.4 m/s 后，繼續提升滑動速度，試樣磨損量的增長量開始放緩。除此之外，分別探究了加載壓力為15 N 和20 N 時磨損量與滑動速度的關系，在滑動速度0.8 m/s 提升至1.6m/s 過程中，16Mn、NM400 和HD400 三種試樣的磨損量整體變化趨勢與低壓下的變化趨勢基本一致，區別在于加載壓力越大，磨損量與滑動速度之間的線性關系越好。

2.3.2 加載壓力對磨損的影響

加載壓力與刮板輸送機中部槽金屬的磨損有密切關系。實踐表明，當刮板輸送機長時間處于超負荷運載狀態時，中部槽金屬受到壓力較大，摩擦情況加重，中部槽的使用壽命也會縮短，這也是中部槽成為刮板輸送機上最容易失效部件的主要原因[5]。為了探究加載壓力與中部槽金屬磨損之間的關系，將試驗機的滑動速度設定為0.8 m/s，探究16Mn、NM400、HD400 三種試樣在不同壓力（5 N、10 N、15 N、20 N）下的磨損量變化，結果如圖4 所示。

圖4 低速下磨損量與壓力的關系

由圖4 可知，三種試樣在低速下的磨損量隨著壓力的增加而增加。在加載壓力相同的情況下，三種試樣磨損量由高到低分別為16Mn、NM400、HD400。橫向對比來看，HD400 試樣的磨損量隨著壓力的增加呈線性變化，而16Mn 和NM400 兩種試樣在加載壓力達到15N 后出現突變。在此基礎上，繼續測試在中速（1.2 m/s）和高速（1.6 m/s）下3 種試樣的磨損量與加載壓力關系，試驗結果與低速情況下基本一致，即相同工況下16Mn 試樣磨損量最大，HD400 試樣磨損量最小，區別在于隨著滑動速度的增加，高壓力下試樣磨損量的增加速度降低。

2.4 中部槽材料的耐磨性

為了進一步探究16Mn、NM400 和HD400 三種中部槽材料的耐磨性能，設計了3 種磨損工況分別對試樣進行了磨損試驗。磨損工況的設定如下。

工況一（低壓低速）：滑動速度為0.8 m/s，加載壓力為5 N，功率為4 N·m/s。

工況二（中壓中速）：滑動速度為1.2 m/s，加載壓力為15 N，功率為18 N·m/s。

工況三（高壓高速）：滑動速度為1.6 m/s，加載壓力為20 N，功率為32 N·m/s。

在上述工況下三種試樣的磨損量統計結果見表2。

表2 3 種試樣在不同工況下的磨損量（單位：mg）

由表2 數據可知，在工況相同情況下，16Mn 試樣的磨損量要明顯高于另外兩種試樣，說明三種試樣材料中16Mn 的耐磨性最差。NM400 和HD400 在相同工況下的磨損量差距不明顯。在低壓、低速時HD400的耐磨性較好，在高壓、高速時HD400 的耐磨性較好。

結束語

在刮板輸送機運行中，中部槽的材料、工況、結構等因素都會對其磨損情況產生影響，進而影響使用壽命和使用成本。從中部槽金屬的對磨試驗來看，NM400 和HD400 兩種材料的耐磨性較好，在更換部件時可以優先考慮使用這兩種材質的中部槽。此外，像加載壓力、滑動速度、表面光滑度等也會對中部槽的磨損量有一定影響。在今后的設備使用與管理中，選擇硬度更高的材料，同時盡量避免超載輸送，保持滑動速度適中，對延長中部槽金屬使用壽命和降低刮板輸送機的維護成本有良好效果。