煤矿机械磨损失效问题的研究

张　佳

（西山煤电西曲矿排矸三队， 山西　古交　030200）

引言

矿山机械当中的各种设备包括：采煤机和掘进机上的截齿、齿座、截盘、滚筒，绞车、运输机、采煤机上的齿轮，刮板运输机的中部槽、刮板、链条、链轮，煤车轴、皮带托辊，提升钢丝绳，液压支架的阀门、缸体和柱塞，煤水泵、泥浆泵及其输送管道，选煤厂的破碎机、溜煤槽、斗子链板、筛子板、挖掘机斗齿、装岩机溜槽以及钢轨、钎钢，这些设备磨耗失效的速度和范围是十分惊人的。据相关调查统计报告显示，当前全国煤矿系统因煤矿机械磨损失效问题而导致的经济损失每年高达800亿元以上，因此对其磨损失效问题及对策的研究有重要理论意义和现实意义[1]。

1　煤矿机械磨损失效的原因

当前煤矿开采主要是分露天开采与井下开采两个大方向，一般井下开采的工作环境更加恶劣，其磨损失效问题更加严重。

1.1　露天开采机械的磨粒磨损机理

磨粒磨损的定义为硬质颗粒与物体表面进行摩擦从而导致在摩擦过程中硬质颗粒的突出物对对方物体表面进行了表面划伤而导致的表层材料脱落的现象。在露天开采过程中，机械设备的上空弥漫着大量的煤粉磨料颗粒，在其杂乱无章的运动过程中就会形成磨粒磨损。磨粒磨损的因素较多，包括磨料的大小、形状和硬度[2]，包括机械设备材料的表面硬度等因素。煤炭开采出来后不仅仅是具有碳元素，还有很多的硬物杂质，其综合的硬度很好。一般都需要先计算煤矿煤层的硬度，再去购买相匹配硬度的煤矿机械设备。对于煤层硬度大于4的煤层颗粒的硬度更高，其对割煤机的磨粒磨损情况就非常严重了。

1.2　井下开采机械的腐蚀磨损机理

煤矿井下工作环境比较恶劣，其空间的温度非常高，湿度也大，化学酸碱度也高。采煤机械长期处于这样的环境当中，非常容易发生相应的化学反应导致机械受腐蚀，这样的腐蚀机理叫腐蚀磨损。腐蚀磨损的反应速度非常快，机械设备极易处于不能正常工作的状态。另外井下各设备都处于供电状态下，电流的存在更加快了腐蚀磨损的速度[3]。

2　不同机械磨损失效的形式分析

2.1　采煤机和掘进机的磨损

采煤机与掘进机是开采中的主要设备，其截齿是割煤的主要部件。截齿与煤层直接接触发生相应的摩擦实现其割煤的主要工作，从磨损形式上来看，其主要属于摩擦磨损。当煤层中存在着很硬的矿物时，这种磨损就会加剧，从而还会产生800℃的高温。在这样的状态下截齿的磨损情况是非常严重的，有时甚至于会直接发生断裂情况。采煤机与掘进机当中的滚筒磨损也是非常严重的，煤块切割下来后需要沿着螺旋滚筒进行轴向移动，在这个过程中的摩擦非常大，其螺旋叶片可以从最新的25 mm磨损到1～2 mm。另外滚筒的端盘齿座与换刀孔的磨损也是非常容易被磨损的部位，每年因其磨损造成的经济损失非常之大。

2.2　刮板输送机的磨损

刮板输送机使用链条拖动原理实现其运送煤炭的作用，另外它还是井下运行轨道的必备设备。从刮板输送机所处的工作环境来看，其主要是摩擦磨损与腐蚀磨损并存。刮板输送机当中的中部槽与链条是最容易被磨损的部位。根据其工作轨道发现中部槽在受到煤、刮板和链的作用下发生严重的磨损，另外其自身的铺设角度的问题也加速了磨损的速度。刮板输送机中的链条长期磨损，容易发生直接断链现象，这是其最主要的失效形式。链条与中部槽的摩擦接触，链环之间的接触，都会产生剧烈摩擦造成链条断裂[4]。

2.3　矿井提升机的磨损

矿井提升机当中容易磨损的部件主要是钢丝绳与箕斗。钢丝绳在工作过程中，其与滚筒天之间长时间的摩擦加之出现的“咬绳”现象都使得钢丝绳的磨损加剧。另外钢丝绳还会由于张力的不平衡而导致的往复窜动现象也会加速其他磨损。箕斗在装、运、卸的途中由于直接多次摩擦也导致严重的磨粒磨损。另外箕斗在下井的途中，环境中的水和空气会造成化学反应从而发生化学腐蚀。再加上摩擦因素，其表面就非常容易脱落，长期以往就会失效。

3　优化煤矿机械磨损失效采用的对策

3.1　提高机械设备材料的硬度

露天开采机械的磨损形式主要是磨粒磨损，那么其主要的解决对策是提高机械设备材料的硬度来缓解其磨损。相关实验研究表明[5]，当金属材料的硬度是与其发生摩擦的磨粒硬度的1.3倍以上时，金属材料的耐磨性能性是比较好的，其使用的寿命也比较长。邵荷生教授研究了煤做为磨料的磨损性能与材料硬度的关系，如图1所示。

在机械设计阶段，就需要考虑好金属材料的选择问题。还需要考虑到金属材料的工作环境所造成的腐蚀磨损。另外对于大磨粒凿削状态下的磨损，还需要进一步改善其表面的耐磨性。冯仕炎等人就采用最新的激光熔覆技术来改善金属材料表面的耐磨性，其对45钢材料的表面使用激光熔覆了Ni60+15%WC的合金粉末，其表面的硬度和耐磨性得到大大提高，基本上能满足当前的需要。

3.2　降低氧化磨损

井下的复杂环境要求其防范对策需要进行全方位的考虑。对于机械的腐蚀磨损，其发生磨损的速度是由表面的氧化膜与基体金属的结合能力，同时也由金属表层的塑性变形能力所决定。降低氧化磨损的有效途径是采用发蓝、磷化、蒸汽处理、渗硫及有色金属的氧化处理等。此外，提高基体表层硬度，增加表层塑性变形能力，也可减轻腐蚀磨损[6]。

图1　材料硬度与磨损率的关系

3.3　制定机械设备管理制度

煤矿开采的工作环境决定了机械设备必定存在严重的磨损现象，那么就更需要做好机械设备的维护管理工作。在工作过程中，机械设备必须要按煤矿的工作制度严格规程，避免超速、超载情况的发生而导致更加严重的磨损。要定期对设备进行检测和维修，确保所有的设备都是在良好的状态下工作。另外机械设备管理部门应该从摩擦学及磨损机理的视角去了解和掌握相关的专业知识，为解决机械的磨损失效问题提出相应的建议供技术人员做相关的技术研究。做好机械设备的管理工作是当前防止机械磨损失效问题的最简单和经济的一种途径。

[1]庞英华.煤矿机械磨损失效问题的研究[J].山东煤炭科技，2017（6）：113-114.

[2]黎文强，马宗彬，丁紫阳.煤矿机械磨损失效及表面改性技术的研究[J].煤矿机械，2017，38（7）：114-116.

[3]冯仕焱.煤矿机械磨损失效与激光熔覆研究[J].煤炭与化工，2015，38（6）：67-69.

[4]陈力捷.煤矿机械磨损失效分析和抗磨措施[J].煤炭技术，2011，30（6）：20-21.

[5]朱华，吴兆宏，李刚，等.煤矿机械磨损失效研究[J].煤炭学报，2006（3）：380-385.

[6]王丹.煤矿机械磨损失效问题探讨[J].机械管理开发，2017（10）：24-25.