提高国产矿用挖掘机斗齿性能的研究

石 晋 伟，宋 自 平

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

缅甸莱比塘露天铜矿采矿项目拥有数量众多的进口大型矿用液压挖掘机，备件占用资金巨大，其中作为使用量大、易磨损的消耗性材料——斗齿的资金占用首当其冲。进口厂家的原装斗齿不仅价格高，而且供货周期长(一般为半年以上)，造成不得不增大库存数量；而国产挖掘机斗齿具有价格低、供货周期短等优势。为缩短采购周期、减少库存数量和资金占用，莱比塘采矿项目确定了进口原装斗齿国产化的目标，对正在使用的各种型号的进口挖掘机斗齿在结构、材料、加工工艺、表面处理等方面进行了深入研究，以便合理地选择中国国内斗齿供应商。笔者介绍了具体的研究过程。

2 斗齿具有的功能和常用材料及失效形式分析

2.1 斗齿具有的功能

在挖掘过程中，挖掘机斗齿具有的主要功能为：一是在有效分离物料的同时减少挖掘阻力，有斗齿挖掘的阻力比无斗齿挖掘的阻力小大约20%左右；二是保护铲斗前臂，挖掘机在挖掘期间斗齿与物料之间会产生相互冲击摩擦，使斗齿不断磨损，进而降低其使用寿命，但却有效保护了铲斗，可以大大延长铲斗的使用寿命。缅甸莱比塘露天铜矿的开采条件较为复杂，大致可以分为四种开采面：表面沙土、风化石、岩石、矿石；其中沙土和风化石比较软，而岩石和矿石硬度比较大，有些岩石开采面有时会碰到连续的火山岩，其硬度极大，从而大大增加了斗齿的工作负荷量，挖掘机斗齿承担着很大的冲击载荷，因此，所选用的斗齿需要具备更高的承载能力与抗磨损能力。

2.2 制造斗齿的常用材料及其存在的不足

传统国产挖掘机的斗齿材质大多为高锰钢，高锰钢是一类高锰奥氏体铸钢，在强力冲击载荷下会发生冷作硬化，具有高抗冲击磨损性能。由于高锰钢很容易加工硬化，因而很难锻压成型，绝大多数是铸件，极少用锻压的方法加工[1]。经过高冲击载荷，其表面硬度可以达到HB500～800，表面硬化深度可达20 mm；低冲击载荷时，其表面硬度只有HB300～400，且其表面硬化深度一般不超过10 mm，表面硬度偏低、耐磨性差，所以，对于那些冲击载荷不大的工况，由于其不能充分得到加工硬化，硬度和耐磨性将无法提高，在这种工况条件下，使用高锰钢是不合理的，从而就不难理解为什么在沙漠、戈壁滩里施工以及散碎石料装车等明明挖掘阻力不大，但高锰钢材料的斗齿却不耐磨的原因。事物总有两面性，当存在较大的冲击能量时，高锰钢的硬度、耐磨程度虽然提高了，但加工硬化后其屈服强度却降低了，在较大的挖掘作用下增加了斗齿弯曲、断裂的几率，以致于降低了其预期的使用寿命。

2.3 斗齿的失效形式

安装于挖掘机铲斗前端的斗齿直接接触矿岩、沙土等物料，在挖掘接触物料的过程中会受到来自矿岩、沙土的冲击载荷和摩擦，斗齿的磨损不可避免，尖部会出现变形、犁沟等甚至表面耐磨层脱落[2]。在斗齿失效形式中，磨损失效占比为90%～95%，断裂、变形等失效模式的占比约为5%～10%，其他失效形式的占比小于1%，比如酸蚀、锈蚀等。斗齿失效的主要类型为磨损失效。为了进一步延长斗齿的使用寿命，主要应针对如何使用合理的材料、提高其抗磨性能并采用有效的工艺技术进行研究。

3 提高挖掘机斗齿性能的对策

近年来，我国的装备制造水平不断提高，但不可否认的是仍与西方发达国家存在差距。笔者结合莱比塘采矿项目大型挖掘机施工工况，认为可从以下几个方面提升斗齿的实际使用性能。

3.1 合理选择斗齿材料

应根据斗齿的具体工况合理地选择材料。当斗齿处于较高冲击载荷下，高锰钢的屈服强度较低、容易折断。为了有效提升高锰钢的耐磨性与屈服强度，应采用添加合金元素的方法增强其韧性，一般可添加的合金元素包括Cr、Mo、V、Ti等，可以有效提升斗齿的使用性能、韧性以及硬度和抗变形能力[3]；对于具有较高冲击载荷的矿岩开挖，高锰合金钢斗齿的性价比还是比较高的，而且已在国内广泛采用，莱比塘铜矿采矿项目针对岩矿层开挖在国内定制的斗齿均选用了高锰合金钢材料。

目前矿用挖掘机的斗容量越来越大，挖掘机斗齿越来越厚大，莱比塘采矿项目的大型挖机亦属于这一类。为使厚大铸件中心部位也充满强韧性的奥氏体组织，进一步提高其加工硬化能力，超高锰合金钢(Mn15、Mnl7、Mn20、Mn25)是不错的选择，通过提高锰含量可以固溶更多的合金元素，再通过热处理和硬化处理，可以进一步提高材料的强韧性和加工硬化能力。应用在高冲击载荷工况下，超高锰合金钢具有优越的硬韧性配合[4]，加工后其硬化效果显著。针对花岗岩、石英岩、火山岩等极为坚硬岩石的开挖，超高锰合金钢斗齿具有广阔的应用前景。通过以往得到的数据可以看出：采用一般高锰合金钢斗齿开挖矿岩其斗齿的寿命是开挖火山岩等坚硬岩石的3～4倍。虽然超高锰合金钢斗齿的成本高一些，但从国内生产厂家针对火山岩的小范围试用数据看：使用超高锰合金钢斗齿带来的经济效益显而易见，大面积的推广应用应该是指日可待的。

由于在低冲击载荷下高锰钢的耐磨性较差，因此而衍生了低碳合金钢材，这种钢材利用热处理工艺可以获得微合金马氏体组织，该组织具备较强的适应性，性能优良，从而保证了斗齿的塑韧性、硬度以及耐磨性。但其缺点是：如遇到大的冲击载荷会发生塑性变形甚至折断[5]，但因其成本较低，采用该材料研制的斗齿目前已开始在国内推广使用，适合于沙漠、戈壁地区施工以及黏土开挖和松散物料的装卸。针对莱比塘露天铜矿采矿项目具体的开采情况，含有微合金马氏体组织的低碳合金钢斗齿可以用作表面沙土层和风化石的开挖，效果不错。

西方发达国家不仅能够做到针对不同的施工环境使用不同材料的斗齿，而且针对严寒地区、酸碱腐蚀等特殊环境也对斗齿材料内部的合金元素配比做了调整。莱比塘采矿项目在雨季施工时，其矿坑底部的酸性积水对铲斗包括斗齿腐蚀较大，除尽可能地减少积水这一途径外，积水酸腐问题目前仍没有得到很好的解决。针对这一问题，有必要联系国内耐磨材料生产厂家一起攻关解决。

3.2 优化斗齿结构设计

通过对损坏斗齿的观察可以看出：部分斗齿尖并未发生严重的磨损，但却会断裂、变形，由此可以看出斗齿结构在一定程度上影响了其使用寿命。斗齿的形状、安装方式等均属于斗齿结构，应采用仿真软件模拟斗齿的工况环境，有针对性地优化结构、提高斗齿的使用寿命。我国在斗齿结构方面也进行了很多有效的改进，比如将硅油橡胶减震垫套安装于齿座与斗齿之间可以有效弥合间隙，改进后的斗齿结构简单，制造成本较低。硅油橡胶减震垫套在挖掘硬物时具备减振作用，可以有效减少对液压系统、电器系统乃至整机的冲击，起到了有效的保护作用，保证了挖掘机的安全运行，延长了斗齿的使用寿命。莱比塘采矿项目也对各种型号挖机斗齿的结构进行了优化改进，斗齿各处的磨损程度也比较合理并极少发生断裂、变形情况。目前，莱比塘采矿项目尚未引进硅油橡胶减震垫套，如有条件，可以选择某种型号挖机进一步优化斗齿结构并安装试用硅油橡胶减震垫套。

3.3 优化制造工艺，强化处理斗齿表面

为了充分发挥斗齿材料的性能，除了做好选材工作外，还应采用恰当的热处理工艺，以免斗齿材料过早失效。热处理的目的是为了获得所需要的金相组织，改善斗齿内部的组织均匀性， 使材料达到最佳性能。斗齿的使用寿命受热处理工艺的影响很大，在铸造成型后应针对不同材料的铸件采用不同的方式实施热处理，比如对高锰合金钢的铸件必须进行正火环节，通过使铸件内部晶粒细化和碳化物分布均匀化达到提高硬度、减少磨损的目的，进而提高其使用寿命。在相同的工况条件下，经过合理热处理的斗齿使用寿命是没有经过热处理的2倍左右[6]。低碳合金钢比高锰合金钢的韧性更强，为了增强其耐磨性，可以在其表面采用强化技术以保证斗齿的塑韧性。强化处理技术包括炸药爆炸、堆焊以及锤击等方法，尤以堆焊技术应用的最为广泛，常被使用的堆焊材料有钨钴类硬质合金以及Ni、Mo高铬白口铸铁材料等。

4 结 语

在满足挖掘机铲斗原有结构和技术性能的前提下，缅甸莱比塘露天铜矿采矿项目与国内有资质的斗齿生产厂家进行了密切合作，大部分型号的进口挖掘机已经在批量试用国产斗齿，从目前的使用效果、性价比、供货周期等方面看效果不错，取得的经济效益良好。目前，莱比塘采矿项目从国内定制的斗齿仍为高锰合金钢斗齿，并且将来也要引进超高锰合金钢和低碳合金钢斗齿，争取做到所使用的斗齿与施工环境相匹配，早日攻克矿坑内积水酸腐这一难题。尽管斗齿国产化研究取得了一些进展，但与国外挖掘机斗齿的使用寿命相比仍需要不断努力和探索，还应根据挖掘机的具体施工环境选择更合理的斗齿材料、设计科学的结构类型、改善制造工艺并采用有效的表面强化技术，以达到延长斗齿使用寿命、提高生产效率、降低成本的目的。