煤矿主井箕斗耐磨研制技术的探讨

石松林

淮北矿业集团临涣煤矿机电科，安徽 淮北 235136

煤矿主井箕斗耐磨研制技术的探讨

石松林

淮北矿业集团临涣煤矿机电科，安徽 淮北 235136

针对煤矿普通材料制作的箕斗在生产过程中遇到的问题，提出对主井耐磨箕斗采用耐磨研制技术，此技术采用高强度新型材料设计和制造箕斗，并通过长期的现场实践经验和相对成熟的理论研究相结合，进行模拟实验分析箕斗壁的应力和变形、失效状态，从而更加合理的设计箕斗结构。

主井箕斗；耐磨研制；应力分析；前景广泛

Main shaft skip; Wear-resisting development; Stress analysis; prospect

1 背景和意义

箕斗是矿井提升的主要容器和载体，在提升工作中箕斗将承受来自煤块和矸石的冲击和磨损。目前，国内主井提升所用箕斗均采用普通的碳素结构钢加工制作，由于工况条件差，受煤块和矸石冲击和磨损严重，正常使用年限较短，一般使用年限不超过2年。而且，由于国内采煤工艺和技术的进步，矿井基本采用综采机械化生产，原煤含矸石率较高，对生产系统的设施要求也相应地提高，要求提升系统有较强的抗冲击、抗磨损能力。目前，国内还没有推广使用抗冲击、抗磨损箕斗。为适应实际工况要求，提高提煤效率和效益，煤矿主井采用抗冲击、耐磨损的高强度箕斗是十分有必要的。新型箕斗的使用可以大大延长提升箕斗的更换周期，减少了提升设备的费用投入，经济效益十分可观，具有广阔的推广前景。

2 现有箕斗存在的问题

现在的矿井生产中，为了提高提煤效率，大容量箕斗越来越普及，因此，减少箕斗自重、提高箕斗有效荷载量显得越来越重要。因此，为了满足箕斗的安全性，我们有必要采用高强度新型材料设计和制造箕斗，同时需要了解箕斗壁的应力（变形）分布规律，从而更加合理的设计箕斗结构。由于箕斗受力和结构本身的复杂性，用纯理论的方法分析其应力状态，在目前的理论水平上还很难得到理想和精确的结果。而采用现场实验方法，在现场建立实验平台进行所需的实验成本高昂，而且存在许多不安全因素。因此，如果能将长期的现场实践经验和相对成熟的理论研究相结合，进行模拟实验分析箕斗壁的应力和变形、失效状态，则可以得到一种可靠、可行的分析结果，并可以作为日后设计和改进箕斗的重要参考数据。以下为我们采用计算机建模，进行模拟实验分析所得相关数据：

图1 箕斗计算力学模型 图2箕斗模拟变形图

图3 框架应力分布图

图4 斗箱应力分布图

从上述箕斗变形图和应力分布图可以看出，箕斗斗箱的侧壁和后壁所受的应力最大，且应力变化幅度大，框架的一些点（与斗箱接触处附近）的变形量也较大。箕斗在实际工作中，正对着装载溜槽的斗箱壁，在装载时承受很大的来自煤块和矸石的冲击载荷，在卸载时要受到一定的磨损。斗箱底板的上表面在装载初期也承受一定的冲击载荷，在卸载时受到很大的磨损。理论与现场实践均可看出箕斗的这两个部位是最容易出现破坏而失效的，在箕斗的设计与制造中应该重点考虑这两个关键部件的刚度和强度要求。

箕斗装载时，箕斗斗箱壁和箕斗斗箱底板承受的冲击属于多次冲击疲劳问题。在近似计算中，当冲击次数大于1000次时，用相似于疲劳的方法计算强度。

通常情况下，箕斗在强度和刚度上均能满足使用要求，但各部位的变形和应力水平相差很大，有些关键部位需要提高其强度，增加其抗冲击能力和耐磨能力。箕斗结构上局部刚度设计不合理，往往会引起某些部位的应力集中，为了避免这类情况，设计和制造时需要考虑各构件的刚度协调性。

箕斗斗箱在装满散装物时，其内壁的压力分布不像均匀液体那样呈线性分布，它随煤块或矸石的粒度、湿度、均匀性以及内摩擦力的不同而不同。因此，准确地确定其压力分布是不现实的，根据大量的经验可以得到近似的计算方法。斗箱侧压力可以采用下式进行计算：

式中：R—— 水力半径，R=截面积/周边长，cm；

ɣ—— 煤块或矸石的比重，k N/ cm3；

f1—— 煤块或矸石对箱壁的摩擦系数；

z—— 自斗箱上缘算起的深度，cm。

斗箱的底部斜壁压力可按下式计算：

式中：α—— 箱壁的斜角；其余同上。

3 提高箕斗抗冲击性和耐磨性的相关措施

3.1 结合上一部分的分析，可以对刚度要求比较高，承受冲击力较大的部分采用高强度焊接结构钢15M n V T i（俗称HG70）进行设计制造。主要包括框架立柱、斗箱壁等，以保证这些重要部分有足够的抗冲击性，在工作中变形尽可能的小。高强度焊接结构钢15MnVTi,具有高强度,高韧性,良好的冷成型和焊接性能，具有较好的抗腐蚀和耐磨性能和良好的抗疲劳性能。和传统的碳素结构钢Q235相比，15MnVTi的硬度和强度都有很大的提高。Q235的冲击韧性值，冲击功，布氏硬度为130～180。而15M n V T i高强度结构钢的冲击功，硬度也远大于Q235。可见，15MnVTi高强度结构钢的抗冲击性和耐磨性远优于传统的碳素结构钢Q235。同时，15MnVTi高强度结构钢具有良好的焊接性能，其硬度、强度、塑性和韧性均满足本次箕斗改造的要求。箕斗的斗箱主要是由钢板焊接而成，对焊缝和焊接性能有较高的要求。使用15MnVTi高强度结构钢焊接加工箕斗斗箱，可以保证焊缝处的强度和刚度要求，进而提高箕斗斗箱的整体可靠性，这一点是传统的碳素结构钢Q235所无法比拟的。

3.2 在斗箱壁内侧铆接8～12mm左右厚的15MnVTi高强度结构钢作为耐磨衬板，如果对箕斗自身重量要求比较严格，可以只在受冲击和磨损较大的两个面添加15MnVTi衬板。如果箕斗重量富足量大，则可以在斗箱的所有内壁上添加15MnVTi耐磨衬板。15MnVTi衬板的平均布氏硬度达到400左右（是传统的碳素结构钢Q235的两倍多），屈服强度达到460MPa以上（是传统的碳素结构钢Q235的两倍）。可见，对斗箱壁内侧铆接15MnVTi衬板，可以显著提高箕斗斗箱的耐磨性和抗冲击性，提高了箕斗的可靠性和使用寿命，在经济性和安全性上都有了很大的提升。

3.3 在材料的采购方面要严把质量关，购买正规厂家的优质钢材，出厂前要进行必要的测试，确保加工原料的质量。同时，箕斗加工完成后也要进行严格的测试，测试标准要高于传统的箕斗，从而保证生产的箕斗的可靠性。

3.4 箕斗设计和加工中要尽量考虑其工艺性，对箕斗结构进行优化设计，使箕斗的主要受力面受力和应变均匀，避免应力集中。考虑箕斗的刚度协调性，避免局部位置变形量多大，从而影响箕斗的整体性能。提高箕斗的加工精度、改进加工工艺，保证箕斗的各个零部件都满足设计要求。如果条件允许，可以利用先进的计算机技术对关键零部件进行有限元分析，实现关键零部件的优化设计，并进行必要的模拟演示和分析。

4 效果效益分析

采用普通材料箕斗使用年限平均1.5年，箕斗（12T）单价30万元；该项目实施后，箕斗单价约35万元，使用年限达到4年以上，为企业年节约设备费用11.25万元，每次更换箕斗需用3天，若以矿井每天原煤产量6500T计算，原煤价格480元/吨，检修影响产量6500/1.5=4333.33T，价值4333.33x480=207.9984万元，每年为单位创造效益：11.25+207.9984=219.2484万元，经济效益十分可观。

Discussion of Wear-resisting development technology of Skip the mine's main shaft

Shi Songlin
HuaiBei Mining (Group) Co.,Ltd., Huaibei 235136,China

Based on the ordinary materials with coal in the production process skip, and puts forward the problems of the main shaft wear-resisting skip is wearresistant developed technology USES high strength technology, the new material design and manufacturing skip, and through long-term scene practice experience and relatively mature theoretical research, combining simulation analysis skip wall stress and deformation and failure condition, and therefore more reasonable design skip structure.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.073

石松林（1982-），男，助理工程师。2006年毕业于安徽理工大学机械设计制造专业（学士学位），现在淮北矿业集团临涣煤矿从事生产技术工作。