掘进机关键部件材料应用现状与发展趋势

2018-02-16谭君海

机械管理开发 2018年1期

谭君海

（山西潞安矿业集团公司常村煤矿，山西长治046102）

引言

在掘进机工作过程中，若遇到的载荷为复杂突变载荷，这种载荷易引发掘进机发生剧烈振动、部分部件出现疲劳损坏甚至断裂。掘进机各工作机构受力相互影响、部分关键零部件存在设计缺陷、加工精度不达标、热处理不合格、工作时磨损严重、密封件密封不良、润滑件润滑不充分等，都易引发掘进机发生损坏，而从掘进机关键部件材料性能与重要结构失效等方面着手研究，可有效提高掘进机各部件性能，加速掘进机的升级换代，以便更好地服务于矿井掘进施工。

1 机械传动部件

1.1 传动部件材料应用现状

在实际生产中掘进机时常需要低速重载运行，实施掘进作业时，需经受矸石冲击及包裹体冲击等，有时巷道底板也会十分不稳定，这就要求掘进机必须具有安全、可靠、稳定且密封性能良好的截割系统与行走传动系统。

当前人们用低碳合金钢材料来制作掘进机行星齿轮的较多，如18Cr2Ni4WA材料以及20Cr2Ni4A材料等，经一系列渗碳淬火处理作业后，其心部强度也会很强，冲击韧性也可达到很高，并且也能具有很高的硬度；同时会用42CrMo材料与40Cr材料来充当齿轮内齿圈材料，这些材料经氮化处理后，其表面硬度也可达到很高；通常用40Cr调质钢材料来制作传动轴[1]。

1.2 传动部件材料的失效分析

齿轮的折断、齿面的点蚀以及轴断裂等是传动零部件的主要失效形式。之所以易出现上述失效现象其原因主要有：

1）热处理工艺不达标，采用传统的渗碳淬火工艺进行加工作业时，易发生较大变形，再经精加工后其碳层厚度很难分布均匀，部分部位碳层可能会过薄，以致对齿轮寿命造成影响；

2）材料质量没有很好的稳定性，材料存在过多杂质，其内部晶粒分布不均匀，在进行锻造作业时，易形成锻造缺陷或造成应力集中现象，若遇到重载情况，易形成断裂事故等。

1.3 传动部件发展趋势

1）应用低温热处理技术来进一步控制传动部件热处理变形。如采用稀土碳氮技术可使渗碳温度降低来对传动部件热处理变形进行控制。

2）复合表面处理。可把硬化层想方设法地覆盖于软基体上，来使传动部件表面更强、更硬、更耐磨。如可进行氮化加Tin涂层以及CrN涂层进行处理，电镀Cr离子进行氮化或采用离子碳氮共渗技术进行处理。让软基体上先变为一层硬基底层，然后再进一步覆盖软镀层，这样不但能确保齿轮强度达标，而且能有效改善摩擦性能，大幅延长齿轮寿命[2]。

3）使用新材料。可把齿轮渗碳钢换为超高强度的硬化钢，这样不但能进一步延长齿轮寿命，而且能大幅减轻齿轮质量。努力开发含碳量低，含Cr、Mo、Ni高的低碳合金钢[3]。

2 结构部件

2.1 结构部件材料应用现状

截割头、装运机构、行走架、本体架、履带板等这些为掘进机的主要结构部件。就掘进机工程应用现状而言，截割头是最易破坏的结构件，其次为转运机构、回转机构等，这些结构件大多易出现磨损，发生开焊以及形成疲劳断裂破坏等。

截齿截割巷道断面主要是在截割头的旋转与摆动作用下完成的，人们常用42CrMo材料来制作截齿与齿座，该种材料在经热处理后能达到很高强度与很强的韧性，能很好地满足掘进机截齿与齿座工作需求。用16Mn来制作基体，可使基体具有良好的可焊性，可很好地弥补进行齿座焊接时，造成的应力过度集中现象。掘进机截割好的物料主要通过装运机构中部槽进行运输，要求人们必须重视提高掘进机装运机构中板耐磨性。当前人们主要应用高强度耐磨钢板来制作掘进机中部槽来提高其耐磨性，如NM360材料就是一种较常用的材料，这种材料强度高、耐磨性能好、韧性好，且易焊接，易进行机械加工[4]。

悬臂式掘进机的另一重要部件为回转机构，掘进机回转机构结构设计的合理与否、材料选取的恰当与否以及热处理工艺的科学与否等都会直接影响到机器性能。当前ZG270-500材料与ZG25Mn2材料是国内很多掘进机在制作回转体时主要用到的铸造材料。以上这两种材料的强度以及塑性都相对较好，铸造性能也较好，且也较易焊接[5]。

2.2 结构部件材料失效分析

掘进机截割部截齿在截割煤岩时，不仅需承受较大的剪应力与压应力，而且需经受冲击载荷作用，如坚硬的瘤铁核冲击，粗大的石英晶粒冲击等，同时还会伴有剧烈摩擦以及经受局部高温作用。在实际生产中，通过统计多个煤矿截齿的失效形式发现磨损严重、硬质合金头发生脱落、合金头出现崩裂、剥落以及齿体发生弯曲、折断等。

对于刮板链而言，其失效形式大多为断链。刮板链在工作时，一方面需承受剧烈摩擦，另一方面需承受的静载荷与动载荷也相对较大，同时矿井积水也会侵蚀链条。此外，链轮工作时，需承受的脉动载荷与冲击作用也相对较大，链轮易发生磨损失效，链轮热处理方法的不科学、不合理，造成其淬火硬度偏低使其易发生磨损失效的一重要原因。

回转体发生疲劳破坏甚至发生断裂现象，回转体发生上述故障大多是由于截割时的动应力与冲击作用于回转体使回转体发生损坏。对回转体自身而言，其也存在铸造缺陷，热处理不当，致使工件机械性能不达标等。

2.3 结构部件先进技术应用

对于镐型截齿而言，其主要由三部分组成，分别是刀头、齿头以及齿柄，这几部分需使用硬质合金材料，具体可借助钎焊工艺把硬质合金刀头想方设法的嵌入齿体进行连接。截齿在工作过程中经常需承受较大载荷，易发生严重磨损，刀头易发生脱落[6]。对此，可通过堆焊一堆焊层于嵌入合金刀头四周，就相当于装设了一圈铠甲来加固齿体薄弱环节，这样可有效延长齿体使用寿命。

3 密封部件

由于掘进机作业环境恶劣，工作时需经受高浓度的粉尘、强烈酸性气体以及水的侵蚀作用，因此必须做好掘进机传动系统以及液压系统部分关键元件的密封工作。当前O型密封圈密封、油封以及浮动密封等是掘进机主要应用的几种密封。

机械传动密封现状及趋势就各种密封应用情况而言，应用最广泛，最受人们欢迎的是挤压型密封，尤其以O型圈密封应用最多。在改进密封件时，应本着提高密封耐压能力，有效降低其摩擦力，使密封件更稳定、更可靠为原则。

旋转轴唇密封具有很多品种，通常用丁啨橡胶材料来做其密封唇，另外，常用聚丙酸脂橡胶材料以及硅橡胶材料等来做油封。掘进机在进行掘进作业时，很多因素都会影响到油封密封性以及油封使用寿命。对此，可通过开发部分特种弹性体来代替各种低性能耐油橡胶。可在橡胶表面开展各种低摩擦化改性处理，这样可有效提高油封使用性能，起到更好的密封作用。

浮动密封属于一种紧凑型密封，其较适合应用于低速重载场合。在掘进机很多部位都使用了该种密封。如截割悬臂、刮板机链轮以及驱动装置等处都有应用。为有效提高浮封环强度，应尽量选用含铬、钼、镍元素相对较高的合金材料来制作浮封环，另外还应重视对浮封环进行整体硬化处理与表面硬化处理，这样制作出的浮封环会更耐磨。