提高露天煤矿电铲铲斗的使用寿命研究

王 虎

准能集团设备维修中心 内蒙古 鄂尔多斯 010300

我们应该充分看到的是,目前电铲的工作能力和铲斗以及其容量有关,电铲所生产的规格和铲斗的斗容量是成正比的。但是我国在大斗容电铲的设计和制造能力以及产品开发周期等方面,和国外差距虽然日渐缩小,但依然存在落后之处。当前我国的电铲存在较大的问题,就是其铲斗的使用寿命。其作为电铲的主要工作配件,在很多作业的过程当中,铲斗会受到煤矿石的冲击,以及与地面的强烈震动磨损。通常来讲,一般铲斗在经过3～4个月的使用之后,覆盖在其内面的衬板就需要进行更换和修理,每年因为更换铲斗衬板所造成的维修费用都是一笔不小的数字。

那么,相关施工单位应该如何提高电铲铲斗在露天煤矿下的使用寿命呢?接下来就给出相关的失效原因分析以及对应的方法研究。

一、矿用电铲铲斗的失效分析

铲斗的主体和斗门两大关键部分成功构成了一个电铲铲斗。作为电铲铲斗的主体。它的外观是一个类似前后两面都能够开口的方形盒体,在正式的煤矿挖掘和运输过程当中,电铲铲斗主体在底板和两面,侧板方面都会和煤矿物料产生强烈碰撞以及摩擦,而这种强烈的碰撞和摩擦又会让整个电铲铲斗受到极其强烈的磨损,电铲,铲斗,斗门和电铲铲斗主体之间通常会设计成可以进行远程操控的关闭或开启的装置。在对煤矿物料进行装运的时候,电铲铲斗的斗门和电铲铲斗的主体之间是呈现关闭状态的,这之后,装载着煤矿物料的电铲铲斗会升起来。在这个过程当中,电铲铲斗里面的煤矿物料会滑向电铲铲斗斗门方向,并且对斗门产生强烈的撞击,之后铲斗移动到运输车的车厢上方时。电铲铲斗斗门会开启,让煤矿物料均匀的滑落到车厢内部,从这一个过程来看,我们可以发现电铲铲斗主体所受到的磨损是典型的矿物质颗粒的磨损,而电铲铲斗的斗门所受到的磨损是带有强烈冲击性的磨损。

为了保证针对电铲铲斗内部衬板的有效更换和维修,相关维护人员一般会在电铲铲斗的主体和电铲铲斗容易磨损的地方全都覆盖一层金属衬板,衬板和铲斗的主体之间会采用焊接方式进行有效固定。我们在观察电铲铲斗的主题以及电铲铲斗,斗门衬板的磨损表面情况的时候,能够发现这样一个关键的问题——即沟槽痕迹的存在(这种存在排除了金属碰撞摩擦所造成的可能损伤)。这有效证明了岩石硬度要比金属衬板的表面硬度更高。当前很多铲斗内部衬板的材料都是高锰钢以及优质的合金钢材,但它们经过形变之后需要很长的恢复时间,这就导致了衬板表面很容易受到磨损。

二、铲斗衬板耐磨材料的研究

(一)铲斗耐磨材料的要求

电铲铲斗在失效分析方面的结果显示。电铲铲斗内部防护衬板的失效,乃至最后的损坏报废,主要是因为金属物料的颗粒磨损所造成的。根据磨损力学研究机理,当金属材料的表面硬度大于或等于摩擦材料的表面硬度的时候,金属材料表面所受到的磨损情况才有可能出现大大减轻的趋势。

我们知道,露天煤矿电铲铲斗经常要挖掘和运送的物质主要是煤矿石当中的成分——石英。它的硬度在1000～1100之间,所以如果要想以此来有效的提高电铲铲斗的使用寿命,那么就需要考虑对下面两个条件进行充分满足。第一,衬板材料的表面一定要拥有更高的硬度和耐磨性,换句话说这种硬度和耐磨性是要能够超过石英的硬度的。另一点在于要从安装工艺上面进行反向思考——也就是说衬板在进行焊接的时候,它的焊接性能和焊接工艺一定要是标准和良好的。

早在上个世纪50年代到60年代。外国很多著名的耐摩擦和耐腐蚀材料的生产公司,如美国林肯公司就开始运用耐磨堆焊方法来有效提升铲斗的使用寿命,这其中的关键技术就是通过运用堆焊材料和高铬合金来有效的提升自身的耐磨损度。进入上个世纪80年代之后,德国的法奥迪公司,韩国的世和公司也开始运用高铬堆焊复合钢板来有效地提升铲斗的使用寿命。从总体的使用情况来看,高铬堆焊复合钢板在其表面所形成的一层高铬合金层使得整个钢板拥有了高硬度以及高耐磨性。而结合具有极强韧性和极强焊接性的母体金属。铲斗衬板的两大优良条件都得到了充分满足。所以从这一点上来说,高铬堆焊复合钢板的成功发明让铲斗衬板的质量跨出了关键的一大步。

上世纪80年代,我国的工程技术研究机构也开展了碳化铬堆焊复合钢板的开发研究以及应用,在这方面,我国同样积累了不少珍贵经验。

(二)碳化铬堆焊复合钢板的性能及特点

我国研制的堆焊复合钢板,一般来说是在普通的添加碳元素的钢材表面运用埋弧堆焊方法有效地对高耐磨合金层进行制备。在堆焊的过程当中。要运用实心焊丝与焊接母体所产生的高温的电弧将其有效融化,之后再把添加到熔化池里面的合金焊接粉末用来进行高耐磨合金层的制备。这一类堆焊方法最大的特点就是效率高,而且合金的成分也非常高,经过测试,其硬度已经超过了石英的硬度,这充分证明了堆焊复合板所具有的高耐磨和高硬度的优良性能。在组装成功之后,这类合金钢板有效进行切割,打孔以及组装焊接等加工。

三、铲斗堆焊复合衬板的试制

在对煤矿石进行挖掘铲装的过程当中,电铲铲斗所受到的磨损只来自于煤矿物料所造成的电铲铲斗主体底部和两侧中下部的磨损力量,而电铲铲斗上面的部分则基本不会遭到磨损。对于电铲铲斗来说,它所受到的磨损范围是全方面的。如果按照这个特点来有效地对复合衬板的尺寸进行设计,那么在电铲铲斗主体的圆弧弯曲区域采用切割好的狭窄衬板进行圆弧过渡的方案是比较可行的。值得注意的是,在这个方案里面,最关键的一个保证衬板和母体能够进行有效相连接的方法就是运用塞焊方法。在进行制作的过程中,由于实际的露天煤矿电铲铲斗所要经历的工作状况十分恶劣,因此适合用于制造铲斗衬板的堆焊复合板在堆焊层设计方面的厚度要达到10～15mm。而另一方面,堆焊层是一种高碳含量和高铬含量的合金,它的硬度是非常高的,但是其脆度也是比较大的。这就导致其在理化性能,诸如膨胀系数方面都和普通加碳钢材有很大的差别,换句话说这一堆焊层是很容易出现脱落迹象的。按照相关的文献技术资料所研究的结果来看,如果铬在钢板表面所构筑的合金焊层厚度超过了12mm,就会出现脱落的危险。为有效解决这一技术难题,采用了分层进行堆焊的方式。在这种堆焊方式当中,堆焊层的化学成分会被逐层进行改变,这样的话,堆焊层当中的高碳含量和高镉含量会从原来的含量较低的情况,逐渐走向含量较高的情况,这是一种全新的工艺方法。而后续的实际使用过程则充分证明了这种方法能够保证堆焊层和模板的结合强度的增加,即使堆焊层的厚度已经超过了12mm,但依然没有出现堆焊层的脱落现象,这是一个巨大的进步。

四、铲斗堆焊复合衬板使用效果分析

堆焊复合板是指在普碳钢表面采用埋弧堆焊方法制备高耐磨合金层。堆焊中,利用实芯焊丝与母体产生的电弧高温熔化添加到熔池的合金焊粉(国外称之为BULKWELD-ING)。这种堆焊方法最大的特点是,堆焊效率高,合金成分高。一般来说,在煤矿挖掘中所遇到的CrC型碳化铬块的显微硬度为HV1300～1800,维焊层的表面通度在HRC 56～62。下图为堆焊复合板与几种常见的耐磨材料的耐磨性对比。由下图可见,堆焊复合板具有很好的耐磨性能。

图1 高铬堆焊复合板与其他复合材料的耐磨性比较

碳化铬堆焊复合板无论是在使用寿命还是在耐磨损程度方面,都极大地超越了之前所使用的简单合金钢材内衬板。一般来说,大型煤矿所使用的电铲铲斗每年的维修费用就需要几百万元人民币,铲斗碳化铬堆焊复合内衬板,不仅在成功得到实际运用的同时超越了原有的合金钢材内衬板,而且还间接减少了相关的维护费用以及维修工作量。这在一定程度上更加有力地保证了露天煤矿的稳定,高产以及经济效益,露天煤矿电铲铲斗的使用寿命也因此而得到有效提升。

结束语:有效提升露天煤矿电铲铲斗使用寿命的奥秘,就在于有效提升其内衬板的制作工艺和焊接方式。通过有效地对内衬板的制作工艺进行改变,详细思考内衬板应该从什么地方提升其耐磨损性以及焊接方式,成功的推动了煤矿电铲铲斗内部受磨损情况的降低。这也间接推动了露天煤矿电铲铲斗的使用寿命的提升。

尽管在我国当前大力推动去产能和传统产业转型升级的情况下,露天煤矿的开采率在逐步下降,但是对于部分地区来说,有效地提升露天煤矿的开采效率,依然对当地经济发展起着重要的作用。而在此背景下,我们可以发现,针对露天煤矿电铲铲斗这一损耗程度较大的工具部件的有效改进,竟然可以在很大程度上推动露天煤矿挖掘作业效率的有效提升,而且还能够间接推动露天煤矿挖掘作业方面的人力、物力和财力三大方面的成本降低。而再此细细探究,有效提升露天煤矿电铲铲斗使用寿命的方法——也就是我们所看到的,有效地对露天煤矿电铲铲斗内部的内衬钢板质量的有效改进,以及对相关焊接工艺的充分注重充分提高了铲斗的使用寿命。