掘进机关键部件材料的应用现状及发展趋势

2014-11-26赵江涛ZHAOJiangtao

价值工程 2014年9期

赵江涛ZHAO Jiang-tao

（中国煤炭科工集团太原研究院，太原 030006）

（Taiyuan Research Institute of China Coal Technology &Engineering Group，Taiyuan 030006，China）

0 引言

掘进机在工作中，复杂突变的载荷是引起掘进机剧烈振动及部件疲劳破坏或断裂的主要原因；各工作机构受力的交互作用、关键零部件的设计缺陷、加工精度、热处理及表面处理质量、工作中的磨损、密封件失效及润滑不良等，都能致使掘进机部件及其相关元器件的损坏，而从材料性能及结构失效等方面进行研究，是提高设计水平，促进产品升级换代的重要方面。

1 机械传动部件

1.1 传动部件材料的应用现状掘进机的主要工况为低速重载，经常遇到矸石、包裹体等的剧烈冲击，及巷道底板状况不稳定等恶劣因素，这对掘进机的截割和行走传动系统提出可靠性高、密封性能好等要求。

目前，掘进机用行星齿轮材料主要是低碳合金钢，例如18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A 经过渗碳淬火处理后心部强度达到1100-1300MPa，冲击韧性达到80-100J/cm2，调质硬度HB240-280，轮齿表面硬度可达HRC58-62；内齿圈主要是42CrMo，40Cr，经氮化处理表面硬度可达HV5 650以上；传动轴主要采用40Cr 调质钢。国外同类产品中主要材料有德国的30CrNiMo6、31CrMoV9，美国的AISI4340、Nitralloy N 快速氮化钢、美国的722M24 等。由于国外的冶炼装备和工艺更加成熟，在材料的杂质，晶粒均匀度控制和热处理性能等方面更优，在性能方面比国内同类钢材高10-20%左右。国内一些钢铁厂家如宝钢，鞍钢的特炉钢性能已经达到世界发达国家水平，但价格相对较高[1-2]。

1.2 传动部件材料的失效传动零部件的失效形式主要有轮齿的折断，齿面点蚀、轴断裂等问题。究其原因：一是热处理工艺有待提高，传统的渗碳淬火工艺的缺点是变形量大，因此经过精加工以后碳层厚度不均匀，容易造成碳层过薄，因而影响齿轮的寿命；二是材料的质量稳定性不好。材料的杂质过多，晶粒不均匀容易在初期造成锻造缺陷或应力集中，在重载条件下及容易造成断裂等恶劣事故。

1.3 传动部件先进技术的趋势结合国内外传动部件材料的应用现状并考虑煤矿设备使用的环境因素，为提高掘进机传动件的使用寿命和性能，可采取以下措施：

①采用低温热处理技术控制变形。如稀土碳氮技术可以降低渗碳温度，有效的控制热处理的变形。

②复合表面处理。软基体上覆盖两层硬化层，提高表面硬度和强度，增加耐磨性，如氮化+Tin、CrN 涂层、电镀Cr 离子氮化或离子碳氮共渗技术；软基体上先形成硬基底层，再覆盖软镀层，可以在确保强度的条件下改善摩擦性能，提高齿轮寿命，如齿轮渗氮后再刷镀Ni-Cu-P 软镀层。

③新材料的使用。使用超高强度硬化钢来代替20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA 齿轮渗碳钢，可以达到寿命要求又降低重量；开发低碳、高Cr、高Mo 和高Ni 的低碳合金钢，类似于英国的M50Nil，淬火后经过三次高温回火通过合金第二相的的沉淀产生二次硬化，具有很高的整体强度；研制新型淬透性好的渗碳齿轮钢（国外称“H”系列），可保证齿轮变形小，并达到要求的心部硬度，应尽量选用冶金质量好的真空脱气精炼钢（R-H 脱气钢）和电渣重熔合金钢，其致密性好，杂质含量极小，塑性、韧性高，减小了各向异性，其比普通电炉钢制造的齿轮，接触和弯曲疲劳寿命提高了3-5 倍，齿轮极限载荷可提高15%-20%[3]。

2 结构部件

2.1 结构部件材料的应用现状掘进机的结构部件，主要有截割头、装运机构、行走架、本体架、履带板、叉型架、回转机构等。结合掘进机的工程应用，容易破坏的结构件主要为截割头、装运机构、回转机构及履带板等，表现形式主要为磨损、开焊及疲劳断裂。

截齿随截割头的旋转和摆动完成对巷道断面的截割。截齿及齿座常用的材料为42CrMo 或性能相似的材料，其热处理后的强度和韧性已经在应用中得到了认可；基体采用16Mn 可焊性能好，能够弥补焊接齿座时引起的应力集中。装运机构中部槽是掘进机截割物料运输的通道，提高中板耐磨性是首要解决的问题。国内煤巷及半煤岩巷掘进机的中部槽在提高耐磨性能上主要采用高强度耐磨钢板，常用材料为NM360，具有高强度、高耐磨性、高韧性、适宜的焊接性能以及较好的机械加工性能。国外先进的岩巷掘进机在装运机构中部槽选用了复合耐磨钢板，提高了中部槽的使用寿命，复合耐磨材料由基板和耐磨层复合而成。目前国内岩巷掘进机也开始使用进口复合耐磨材料，主要有美国“信铬钢”SA1750CR、德国法奥迪VAUTID 等的耐磨复合钢板。圆环链在国内外C 级和D 级大规格材料方面大都采用23MnCrNiM0，国内圆环链在原材料、焊接、热处理方面与国外先进的链条都有一定的差距。国内使用进口链条较多的是德国蒂勒矿用链条，为了满足不同工况条件和使用工况，蒂勒增加不同的防腐措施。

回转机构是悬臂式掘进机的主要部件，其设计结构、材料选取、热处理工艺是否合理，对机器的性能有直接影响[4]。国内中型及以下掘进机的回转体铸造材料主要是ZG270-500 和ZG25Mn2，这两种材料具有较好的强度和较好的塑性，铸造性能良好，焊接性能良好。国外这种结构的回转体基本上所用材料相当于ZG270-500，如日本采用的是SC480。

履带板是组成履带的单元，工程机械的履带采用组合式，材料多为高锰钢，如ZGMn13 其特点是碾压后产生弥散硬化，越用越硬；掘进机履带板多采用整体式履带板，中小型掘进机多采用铸造履带板，重型机多采用锻造履带板。目前，我国在履带板的材料选取、热处理等方面做了大量试验，逐渐抛弃强度不足的高猛钢，而采用可以调整化学成分，获得不同含量的马氏体-贝氏体增加耐磨性的中碳低合金高耐磨钢，如ZG30CrMnSiMo，ZG32CrMoB，35SiMn，42CrMo 等，获得了较好的使用效果。

2.2 结构部件材料的失效截齿在截割煤岩过程中承受很大的剪应力、压应力和冲击负荷，经常会遇到瘤铁核、粗大石英晶粒等坚硬的矿料，且伴随着剧烈的摩擦和局部高温。通过对几个煤矿截齿失效的统计，截齿的主要失效形式有：磨损、硬质合金头脱落、合金头崩裂、疲劳剥落以及齿体弯曲变形、折断等。根据统计，磨损失效占比最大约为80%～90%（见图1），而其他形式失效仅占10%～20%。齿座和截割头基体的磨损也对截割头的使用寿命有直接影响，齿座失效形式主要有，齿座的磨损、开焊、齿座拉断，与截齿的失效形式类似，磨损是导致齿座失效的主要原因。

图1 截齿的失效

图2 链轮的磨损失效

刮板链的失效主要是断链。链条在运行中除了受剧烈摩擦，还要承受很大的静载和动载荷，并受井下水的侵蚀等工作环境恶劣。链轮在运转中也受到很大的脉动载荷和冲击，其失效形式主要是磨损失效（见图2），其原因主要是热处理方法不当，即淬火层太浅，火焰淬火不均匀，淬火硬度偏低等。

回转体直接承受了来自截割过程中的动应力及冲击，出现疲劳破坏甚至断裂（见图3），其主要原因是：存在铸造缺陷，如壁厚明显不均匀、冷隔等；材料化学成分不达标，热处理温度控制不精确，造成工件机械性能达不到设计要求。

图3 回转体的断裂失效

履带板担负着整机的负重，同时也承受着截割和行走过程中复杂的冲击，损坏的位置集中在销耳和与驱动轮啮合处，其主要失效形式是：磨损、断裂及变形严重。磨损是由于履带板强度不足，产生塑性变形，销孔拉长使整个履带板增长或销孔磨损失效（见图4）；断裂主要是因为履带板铸件表面存在气孔、砂眼等缺陷以及水韧处理的微裂纹成为疲劳裂纹源，发生低应力、准脆性断裂；变形过大是由于履带板的刚性不足，应从结构角度进行优化设计。

图4 履带板的磨损失效

2.3 结构部件先进技术的趋势镐型截齿由硬质合金刀头、齿头和齿柄三部分组成，采用钎焊工艺将硬质合金刀头嵌入齿体连接。截齿在使用中经受复杂多变的载荷而磨损，且丧失对硬质合金刀头的保护，导致刀头过早脱落、失效。因此，在嵌入合金刀头附近圆周方向堆焊一个推焊层，相当于在截齿齿体薄弱环节加装了一圈铠甲，避免齿体与岩层过早接触，延长使用寿命。而影响截齿堆焊层性能因素，取决于堆焊材料成分、组织和性能的变化，以及配套堆焊工艺的严格实施。等离子堆焊材料的应用是目前的发展趋势。选用42CrMo、20CrMnTi 和20CrMnMo 作为截齿母材，粉末填充材料为Cr-Mo-V-Ti，该工艺采用先完成堆焊层，后进行硬质合金刀头钎焊工艺，利用钎焊热循环对等离子堆焊层进行二次硬化处理，获得硬度不降反升的堆焊层，达到HV700 左右。井下工业试验表明：等离子弧堆焊工艺解决了钎焊过程对齿头造成的退火软化难题，延长了硬质合金刀头的服役期。新工艺生产截齿的总体寿命，达到传统工艺生产同类截齿的2 倍以上，制造成本降低20%。装运机构中部槽使用进口复合耐磨材料，是延长其寿命的有效措施，但价格较高。同时，通过对不同热处理状态、不同材质和硬度的摩擦副进行试验，找出不同条件下的中部槽摩擦副磨损与硬度的关系，选择合适的摩擦副材料增加其耐磨性[5]。

利用先进的检测技术对焊接件焊缝、铸件、锻件等进行无损探伤，发现掘进机主要结构部件加工过程中存在的潜在问题，对回转台、履带板等易损件的表面及内部存在的裂纹、气孔、冷隔等缺陷方便的检出。

3 密封部件

掘进机受载复杂恶劣，同时又有粉尘、酸性气体、水的严重侵蚀，使得掘进机的机械传动系统和液压系统存在着渗漏、油液污染、元件腐蚀磨损等问题。目前，掘进机使用的密封，主要有O 型密封圈、旋转轴唇型密封（油封）、浮动密封等。

3.1 机械传动的密封现状与趋势挤压型密封特别是O 型圈应用最为广泛，其他如X 型、T 型、D 型、方形、三角形等型式，适合在不同场合下应用。改进的方向是使其密封性能稳定可靠，提高其耐压能力，降低摩擦力，也可以和低摩擦的塑料如聚四氟乙烯、尼龙的滑环与支承环形成组合密封，提高其耐压力及降低摩擦力。

旋转轴唇型密封品种繁多，其密封唇最常用材料是丁腈橡胶，同时油封常用材料还有聚丙酸酯橡胶、硅橡胶、氟橡胶和聚四氟乙烯等。油封的泄漏，主要是由于：尺寸公差不符标准使油封外缘与腔体配合的静态密封表面发生变形；工况条件苛刻引起油封密封刃口材料的龟裂；密封介质使橡胶溶胀，降低橡胶的硬度，使油封过早老化；润滑液污染使密封唇腐蚀和磨损等。掘进机工作中的各种影响因素及其相互作用，都对油封的密封性能和寿命产生很大影响。针对掘进机使用工况，开发并选用特种弹性体（ACM/ECO/FKM/HNBR）取代NBR 等低性能耐油橡胶；对橡胶表面进行低摩擦化改性处理，喷涂PTFE 氟橡胶涂层或FEP氟化丙烯等制造低摩擦耐磨橡胶；通过纳米技术改性橡塑材料等，提高橡塑材料的力学性能及一些特殊的能力。

浮动密封，主要用于低速重载，是紧凑型密封型式，具有耐磨、磨损后自动补偿、工作可靠、结构简单等优点，掘进机的截割悬臂、驱动装置、刮板机链轮组件、行走导向轮等都广泛使用。浮封环主要有镍铬合金铸铁、高铬钼合金、钨铬钴合金、镍基合金等，适当增加铬、钼、镍等可有效提高合金的强度、耐磨性、耐腐蚀性，但也增加了成本。对于多数材料，浮封环需要整体淬火硬化或密封面采用感应淬火、氮化或等离子弧粉末喷焊、激光淬火等表面硬化处理，相比整体淬火，表面硬化处理可以使金属环变形量最小。

3.2 液压系统的密封现状与趋势往复动唇形密封广泛地应用在液压系统的油缸中。其常见的型式有J 型、L型、U 型、V 型与Y 型等，还有各种组合及复合密封，如彭形、蕾形、多唇形密封等。高压状态要防止被挤出，选用具有足够强度、硬度，或是带有支承环的密封，若高压、高速或高温往往使用复合组合式密封，如霞板公司(Shamban)的“Turcon”滑环组合密封、卡尔·弗伦登堡公司和日本油封公司的“NCF”、“SIMKO”高效组合密封、道蒂公司的Balmaster、霍尔公司的Hallprone 等，其共同特点是有两个唇口与缸壁接触，密封部位中间设有凹槽，可以贮存介质，改善润滑性，唇损小，密封可靠。目前，多采用在密封唇部设有贮存润滑脂的槽或在唇部粘接有低摩擦塑料的结构以提高其寿命，或采用尘刮板与密封件集成一体的结构。

在提高密封件性能的同时，也应改善活塞杆的表面质量，进一步增强掘进机油缸密封的可靠性。活塞杆表面喷涂陶瓷是一种先进的表面处理方式，可以用来替代镀铬，其使用寿命是普通镀铬活塞杆的5-6 倍。陶瓷涂层技术能有机地把金属材料的强韧性、易加工性等和陶瓷材料的耐高温、耐磨损、耐腐蚀等特性结合起来，提高活塞杆的机械性能。

密封元件损坏的主要因素是工作液中的杂质，在密封面间研磨，使阀产生泄漏，这是工作液分子挤入的结果。阀类元件中阀芯和阀套的材料选择除考虑气蚀和腐蚀外，还要从摩擦学角度考虑摩擦副对偶件之间相互的减阻耐磨性等。目前，摩擦副选材来看，比较成功的摩擦副配对有：塑料一金属、金属一陶瓷、陶瓷一陶瓷、以及金属石墨材料和改性的聚四氟乙烯塑料等都具有良好的应用前景。