煤矿机械磨损失效及表面改性技术研究

曹振华

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司设计院， 山西 介休 032000）

1 煤矿设备失效分析

煤矿开采设备所处环境较为恶劣，经常会在潮湿、腐蚀的环境中作业，且开采期间，煤矿机电设备表面还会承受不同程度的重载冲击与严重摩擦。加之煤矿设备体积较大，以致得不到及时保养，各个运转部件也没有得到有效润滑，久而久之，机械设备便会出现磨损、腐蚀等问题，从而导致失效[1]。

1.1 截齿失效

采煤机截割煤层的关键零件便是截齿，其也是开采期间消耗量最大的零件，会直接接触煤层与岩石，因此很容易发生磨损问题。同时，在截割煤层过程中，截齿还会因摩擦产生高温，加重磨损程度。

1.2 中部槽失效

运输期间，刮板运输机由于受煤块以及岩石等颗粒冲击的影响，中部槽很容易出现磨料磨损问题。同时，在综采表面的运行过程中，中部槽也会受到腐蚀液体以及气体物质的影响，从而造成腐蚀与磨损问题。

1.3 液压支架立柱失效

在整个综采过程中，液压支架具备重要的支撑防护作用，且支柱也属于关键的承载部件，由此看出，立柱直接影响着整个综采作业的安全性。但由于井下具备较大湿度且存在较多的粉尘颗粒，这也使得液压支架长期处于恶劣的酸碱环境中，从而使其表面极易出现划痕与腐蚀问题，不但会影响液压支架的举升效果，甚至危及整个煤矿开采工作的安全性。

2 引起煤矿机械设备磨损失效的因素

在分析煤矿机械设备磨损失效原因时，不但应对作业过程、现场环境、作业内容以及后续保养等方面进行考察，且还应进行理论分析，有效统计煤矿设备的磨损情况，评估企业的经济损失。统计分析发现，小型煤矿为了解决机械设备磨损失效问题需要投入千万元资金，而大型煤矿甚至需要投资上亿元。

煤矿开采可以分为露天开采以及矿井开采等方式，且多数采取井下开采方式。具体情况见表1。

表1 煤矿机械磨损失效情况

可见，相较矿井开采，露天开采的机械磨损失效情况较好。由于露天开采环境酸碱度比较适中，且地处开阔，因此后期维护更容易，降低了磨损程度[2]。

从地理方面看来，矿井下环境潮湿其温度远远高于外界，土壤的酸碱度较高。而多数煤矿机械设备由钢、铁等合金制成，在潮湿的酸碱环境下很容易发生化学反应，使得其表面受到腐蚀。更严重的是，机械设备必须依靠电力维持运行，而大量的电流也会加重腐蚀程度，甚至机械内部也会受到腐蚀。且上述作业需要每天重复，因此，此过程导致的磨损最为严重。

从开采过程看来，期间煤炭硬度会对机械设备产生很大的损伤，且硬度越大，磨损越严重，甚至当煤炭硬度超过标准值后，还会对机械设备产生不可逆的损伤[3]。

3 煤矿机械表面改性技术

随着工业的快速发展，表面改性技术已在煤矿机械设备以及产业结构升级方面得到了广泛采用，煤矿机械方面也开始引入更多的先进技术。表面改性技术的应用可以有效解决煤矿设备失效问题，不但提升了设备的整体运输性能，且还会节约原料，降低开采成本。

喷涂、焊丝堆焊以及镀铬等传统的处理技术均属于煤矿机械表面处理技术，但这些技术均不同程度存在缺陷。表面喷涂技术的操作流程较为简单，但与机械设备表面属于机械结合，强度较低，因此不能使用于重载荷、大冲击以及潮湿腐蚀情况下的机械设备。镀铬工艺主要使用在液压支架方面，其操作简单，且成本较低，但实际使用时极易腐蚀，需要企业定期检修，同时此技术使用期间还会出现严重污染环境的六价铬，因此已被明令禁止。焊丝堆焊技术也较为简单，但工作期间很容易出现气孔以及焊渣等问题，因此不能大范围使用至煤矿机械设备中。而当前煤矿机械新型的表面改性技术主要包括等离子熔覆技术与激光熔覆技术。

3.1 等离子熔覆技术

等离子熔覆技术主要对设备表面进行强化处理，期间会使用等离子热源方法以及熔覆材料。实际使用时，作业人员应结合机械设备的实际运行情况选择恰当的熔覆材料，以提升其表面性能。

在处理截齿磨损严重的齿头表面时，等离子熔覆强化处理技术主要利用高硬度、高耐磨性且含有碳化物硬质颗粒的合金粉末进行耐磨熔覆强化处理，以有效提升截齿表面的耐磨性，延长使用寿命，提高截齿采煤的截割效率。等离子耐磨熔覆层如图1所示。

在处理中部槽易磨损部分时，应使用高硬度、耐冲击的耐磨合金粉末，利用等离子熔覆技术进行耐磨强化处理，增强中部槽耐磨度，避免设备被磨损。同时，在等离子强化处理期间，一节中部槽相当于以往两节以上的中部槽，不但增加了采煤运输量，也延长了设备的使用时间，增大了煤炭的开采量。具体处理过程如图2所示。

3.2 激光熔覆技术

激光熔覆技术属于新型的表面改性技术，主要激光熔覆强化处理机械设备表面，期间会使用激光束技术以及激光熔覆材料。同时，在煤矿开采期间，此技术主要被用于改性液压支架立柱的表面。在处理过程中，主要将高硬度、耐腐蚀且性能优异的雾化合金粉末作为激光熔覆材料，并对设备立柱表面进行改性。激光熔覆设备运行期间不会出现气孔，且其运行稳定不会产生有害物质，属于绿色环保的设备表面改性技术。除此之外，此技术可以完全替代传统表面镀铬技术，提高机械设备的耐腐蚀以及耐磨损度，降低煤矿企业的维修成本。

图1 截齿锥形齿头表面等离子耐磨熔覆层

图2 中部槽中板等离子熔覆耐磨强化处理

4 实际效益分析

由于井下环境的复杂性，实际开采期间，大量的机械设备均存在因磨损而报废的问题，根本没有达到既定的使用期限。可见磨损问题造成机械设备的严重浪费。而在煤矿开采行业中引入新型的表面改性技术可以有效缓解上述问题，且得到了机械设备生产企业的有效认可。相较传统的表面改性技术而言，等离子熔覆技术和激光熔覆技术具备设备稳定、表面性能稳定、强化处理效果好以及熔覆效率高等优势，且高效环保，不会污染环境。同时，在煤矿机械设备改性期间采用新型的表面改性技术，还可以增强设备的耐磨度与抗腐蚀性，可为企业节省大量的新设备支出费用。

5 结语

煤矿生产环境十分复杂，挖掘生产期间必须采用多种复杂的机械设备，这也导致了机械失效形式的多样化。而等离子熔覆技术以及激光熔覆技术可以有效改善煤矿机械设备的磨损问题，延长设备的使用寿命，是煤矿机械设备未来发展的必然趋势。