趙江濤ZHAO Jiang-tao

（中國煤炭科工集團太原研究院，太原 030006）

（Taiyuan Research Institute of China Coal Technology &Engineering Group，Taiyuan 030006，China）

0 引言

掘進(jìn)機在工作中，復(fù)雜突變的載荷是引起掘進(jìn)機劇烈振動及部件疲勞破壞或斷裂的主要原因；各工作機構(gòu)受力的交互作用、關(guān)鍵零部件的設(shè)計缺陷、加工精度、熱處理及表面處理質(zhì)量、工作中的磨損、密封件失效及潤滑不良等，都能致使掘進(jìn)機部件及其相關(guān)元器件的損壞，而從材料性能及結(jié)構(gòu)失效等方面進(jìn)行研究，是提高設(shè)計水平，促進(jìn)產(chǎn)品升級換代的重要方面。

1 機械傳動部件

1.1 傳動部件材料的應(yīng)用現(xiàn)狀 掘進(jìn)機的主要工況為低速重載，經(jīng)常遇到矸石、包裹體等的劇烈沖擊，及巷道底板狀況不穩(wěn)定等惡劣因素，這對掘進(jìn)機的截割和行走傳動系統(tǒng)提出可靠性高、密封性能好等要求。

目前，掘進(jìn)機用行星齒輪材料主要是低碳合金鋼，例如18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A 經(jīng)過滲碳淬火處理后心部強度達(dá)到1100-1300MPa，沖擊韌性達(dá)到80-100J/cm2，調(diào)質(zhì)硬度HB240-280，輪齒表面硬度可達(dá)HRC58-62；內(nèi)齒圈主要是42CrMo，40Cr，經(jīng)氮化處理表面硬度可達(dá)HV5 650以上；傳動軸主要采用40Cr 調(diào)質(zhì)鋼。國外同類產(chǎn)品中主要材料有德國的30CrNiMo6、31CrMoV9，美國的AISI4340、Nitralloy N 快速氮化鋼、美國的722M24 等。由于國外的冶煉裝備和工藝更加成熟，在材料的雜質(zhì)，晶粒均勻度控制和熱處理性能等方面更優(yōu)，在性能方面比國內(nèi)同類鋼材高10-20%左右。國內(nèi)一些鋼鐵廠家如寶鋼，鞍鋼的特爐鋼性能已經(jīng)達(dá)到世界發(fā)達(dá)國家水平，但價格相對較高[1-2]。

1.2 傳動部件材料的失效 傳動零部件的失效形式主要有輪齒的折斷，齒面點蝕、軸斷裂等問題。究其原因：一是熱處理工藝有待提高，傳統(tǒng)的滲碳淬火工藝的缺點是變形量大，因此經(jīng)過精加工以后碳層厚度不均勻，容易造成碳層過薄，因而影響齒輪的壽命；二是材料的質(zhì)量穩(wěn)定性不好。材料的雜質(zhì)過多，晶粒不均勻容易在初期造成鍛造缺陷或應(yīng)力集中，在重載條件下及容易造成斷裂等惡劣事故。

1.3 傳動部件先進(jìn)技術(shù)的趨勢 結(jié)合國內(nèi)外傳動部件材料的應(yīng)用現(xiàn)狀并考慮煤礦設(shè)備使用的環(huán)境因素，為提高掘進(jìn)機傳動件的使用壽命和性能，可采取以下措施：

①采用低溫?zé)崽幚砑夹g(shù)控制變形。如稀土碳氮技術(shù)可以降低滲碳溫度，有效的控制熱處理的變形。

②復(fù)合表面處理。軟基體上覆蓋兩層硬化層，提高表面硬度和強度，增加耐磨性，如氮化+Tin、CrN 涂層、電鍍Cr 離子氮化或離子碳氮共滲技術(shù)；軟基體上先形成硬基底層，再覆蓋軟鍍層，可以在確保強度的條件下改善摩擦性能，提高齒輪壽命，如齒輪滲氮后再刷鍍Ni-Cu-P 軟鍍層。

③新材料的使用。使用超高強度硬化鋼來代替20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA 齒輪滲碳鋼，可以達(dá)到壽命要求又降低重量；開發(fā)低碳、高Cr、高M(jìn)o 和高Ni 的低碳合金鋼，類似于英國的M50Nil，淬火后經(jīng)過三次高溫回火通過合金第二相的的沉淀產(chǎn)生二次硬化，具有很高的整體強度；研制新型淬透性好的滲碳齒輪鋼（國外稱“H”系列），可保證齒輪變形小，并達(dá)到要求的心部硬度，應(yīng)盡量選用冶金質(zhì)量好的真空脫氣精煉鋼（R-H 脫氣鋼）和電渣重熔合金鋼，其致密性好，雜質(zhì)含量極小，塑性、韌性高，減小了各向異性，其比普通電爐鋼制造的齒輪，接觸和彎曲疲勞壽命提高了3-5 倍，齒輪極限載荷可提高15%-20%[3]。

2 結(jié)構(gòu)部件

2.1 結(jié)構(gòu)部件材料的應(yīng)用現(xiàn)狀 掘進(jìn)機的結(jié)構(gòu)部件，主要有截割頭、裝運機構(gòu)、行走架、本體架、履帶板、叉型架、回轉(zhuǎn)機構(gòu)等。結(jié)合掘進(jìn)機的工程應(yīng)用，容易破壞的結(jié)構(gòu)件主要為截割頭、裝運機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)及履帶板等，表現(xiàn)形式主要為磨損、開焊及疲勞斷裂。

截齒隨截割頭的旋轉(zhuǎn)和擺動完成對巷道斷面的截割。截齒及齒座常用的材料為42CrMo 或性能相似的材料，其熱處理后的強度和韌性已經(jīng)在應(yīng)用中得到了認(rèn)可；基體采用16Mn 可焊性能好，能夠彌補焊接齒座時引起的應(yīng)力集中。裝運機構(gòu)中部槽是掘進(jìn)機截割物料運輸?shù)耐ǖ溃岣咧邪迥湍バ允鞘滓鉀Q的問題。國內(nèi)煤巷及半煤巖巷掘進(jìn)機的中部槽在提高耐磨性能上主要采用高強度耐磨鋼板，常用材料為NM360，具有高強度、高耐磨性、高韌性、適宜的焊接性能以及較好的機械加工性能。國外先進(jìn)的巖巷掘進(jìn)機在裝運機構(gòu)中部槽選用了復(fù)合耐磨鋼板，提高了中部槽的使用壽命，復(fù)合耐磨材料由基板和耐磨層復(fù)合而成。目前國內(nèi)巖巷掘進(jìn)機也開始使用進(jìn)口復(fù)合耐磨材料，主要有美國“信鉻鋼”SA1750CR、德國法奧迪VAUTID 等的耐磨復(fù)合鋼板。圓環(huán)鏈在國內(nèi)外C 級和D 級大規(guī)格材料方面大都采用23MnCrNiM0，國內(nèi)圓環(huán)鏈在原材料、焊接、熱處理方面與國外先進(jìn)的鏈條都有一定的差距。國內(nèi)使用進(jìn)口鏈條較多的是德國蒂勒礦用鏈條，為了滿足不同工況條件和使用工況，蒂勒增加不同的防腐措施。

回轉(zhuǎn)機構(gòu)是懸臂式掘進(jìn)機的主要部件，其設(shè)計結(jié)構(gòu)、材料選取、熱處理工藝是否合理，對機器的性能有直接影響[4]。國內(nèi)中型及以下掘進(jìn)機的回轉(zhuǎn)體鑄造材料主要是ZG270-500 和ZG25Mn2，這兩種材料具有較好的強度和較好的塑性，鑄造性能良好，焊接性能良好。國外這種結(jié)構(gòu)的回轉(zhuǎn)體基本上所用材料相當(dāng)于ZG270-500，如日本采用的是SC480。

履帶板是組成履帶的單元，工程機械的履帶采用組合式，材料多為高錳鋼，如ZGMn13 其特點是碾壓后產(chǎn)生彌散硬化，越用越硬；掘進(jìn)機履帶板多采用整體式履帶板，中小型掘進(jìn)機多采用鑄造履帶板，重型機多采用鍛造履帶板。目前，我國在履帶板的材料選取、熱處理等方面做了大量試驗，逐漸拋棄強度不足的高猛鋼，而采用可以調(diào)整化學(xué)成分，獲得不同含量的馬氏體-貝氏體增加耐磨性的中碳低合金高耐磨鋼，如ZG30CrMnSiMo，ZG32CrMoB，35SiMn，42CrMo 等，獲得了較好的使用效果。

2.2 結(jié)構(gòu)部件材料的失效 截齒在截割煤巖過程中承受很大的剪應(yīng)力、壓應(yīng)力和沖擊負(fù)荷，經(jīng)常會遇到瘤鐵核、粗大石英晶粒等堅硬的礦料，且伴隨著劇烈的摩擦和局部高溫。通過對幾個煤礦截齒失效的統(tǒng)計，截齒的主要失效形式有：磨損、硬質(zhì)合金頭脫落、合金頭崩裂、疲勞剝落以及齒體彎曲變形、折斷等。根據(jù)統(tǒng)計，磨損失效占比最大約為80%～90%（見圖1），而其他形式失效僅占10%～20%。齒座和截割頭基體的磨損也對截割頭的使用壽命有直接影響，齒座失效形式主要有，齒座的磨損、開焊、齒座拉斷，與截齒的失效形式類似，磨損是導(dǎo)致齒座失效的主要原因。

圖1 截齒的失效

圖2 鏈輪的磨損失效

刮板鏈的失效主要是斷鏈。鏈條在運行中除了受劇烈摩擦，還要承受很大的靜載和動載荷，并受井下水的侵蝕等工作環(huán)境惡劣。鏈輪在運轉(zhuǎn)中也受到很大的脈動載荷和沖擊，其失效形式主要是磨損失效（見圖2），其原因主要是熱處理方法不當(dāng)，即淬火層太淺，火焰淬火不均勻，淬火硬度偏低等。

回轉(zhuǎn)體直接承受了來自截割過程中的動應(yīng)力及沖擊，出現(xiàn)疲勞破壞甚至斷裂（見圖3），其主要原因是：存在鑄造缺陷，如壁厚明顯不均勻、冷隔等；材料化學(xué)成分不達(dá)標(biāo)，熱處理溫度控制不精確，造成工件機械性能達(dá)不到設(shè)計要求。

圖3 回轉(zhuǎn)體的斷裂失效

履帶板擔(dān)負(fù)著整機的負(fù)重，同時也承受著截割和行走過程中復(fù)雜的沖擊，損壞的位置集中在銷耳和與驅(qū)動輪嚙合處，其主要失效形式是：磨損、斷裂及變形嚴(yán)重。磨損是由于履帶板強度不足，產(chǎn)生塑性變形，銷孔拉長使整個履帶板增長或銷孔磨損失效（見圖4）；斷裂主要是因為履帶板鑄件表面存在氣孔、砂眼等缺陷以及水韌處理的微裂紋成為疲勞裂紋源，發(fā)生低應(yīng)力、準(zhǔn)脆性斷裂；變形過大是由于履帶板的剛性不足，應(yīng)從結(jié)構(gòu)角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖4 履帶板的磨損失效

2.3 結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)技術(shù)的趨勢 鎬型截齒由硬質(zhì)合金刀頭、齒頭和齒柄三部分組成，采用釬焊工藝將硬質(zhì)合金刀頭嵌入齒體連接。截齒在使用中經(jīng)受復(fù)雜多變的載荷而磨損，且喪失對硬質(zhì)合金刀頭的保護，導(dǎo)致刀頭過早脫落、失效。因此，在嵌入合金刀頭附近圓周方向堆焊一個推焊層，相當(dāng)于在截齒齒體薄弱環(huán)節(jié)加裝了一圈鎧甲，避免齒體與巖層過早接觸，延長使用壽命。而影響截齒堆焊層性能因素，取決于堆焊材料成分、組織和性能的變化，以及配套堆焊工藝的嚴(yán)格實施。等離子堆焊材料的應(yīng)用是目前的發(fā)展趨勢。選用42CrMo、20CrMnTi 和20CrMnMo 作為截齒母材，粉末填充材料為Cr-Mo-V-Ti，該工藝采用先完成堆焊層，后進(jìn)行硬質(zhì)合金刀頭釬焊工藝，利用釬焊熱循環(huán)對等離子堆焊層進(jìn)行二次硬化處理，獲得硬度不降反升的堆焊層，達(dá)到HV700 左右。井下工業(yè)試驗表明：等離子弧堆焊工藝解決了釬焊過程對齒頭造成的退火軟化難題，延長了硬質(zhì)合金刀頭的服役期。新工藝生產(chǎn)截齒的總體壽命，達(dá)到傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)同類截齒的2 倍以上，制造成本降低20%。裝運機構(gòu)中部槽使用進(jìn)口復(fù)合耐磨材料，是延長其壽命的有效措施，但價格較高。同時，通過對不同熱處理狀態(tài)、不同材質(zhì)和硬度的摩擦副進(jìn)行試驗，找出不同條件下的中部槽摩擦副磨損與硬度的關(guān)系，選擇合適的摩擦副材料增加其耐磨性[5]。

利用先進(jìn)的檢測技術(shù)對焊接件焊縫、鑄件、鍛件等進(jìn)行無損探傷，發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)機主要結(jié)構(gòu)部件加工過程中存在的潛在問題，對回轉(zhuǎn)臺、履帶板等易損件的表面及內(nèi)部存在的裂紋、氣孔、冷隔等缺陷方便的檢出。

3 密封部件

掘進(jìn)機受載復(fù)雜惡劣，同時又有粉塵、酸性氣體、水的嚴(yán)重侵蝕，使得掘進(jìn)機的機械傳動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)存在著滲漏、油液污染、元件腐蝕磨損等問題。目前，掘進(jìn)機使用的密封，主要有O 型密封圈、旋轉(zhuǎn)軸唇型密封（油封）、浮動密封等。

3.1 機械傳動的密封現(xiàn)狀與趨勢 擠壓型密封特別是O 型圈應(yīng)用最為廣泛，其他如X 型、T 型、D 型、方形、三角形等型式，適合在不同場合下應(yīng)用。改進(jìn)的方向是使其密封性能穩(wěn)定可靠，提高其耐壓能力，降低摩擦力，也可以和低摩擦的塑料如聚四氟乙烯、尼龍的滑環(huán)與支承環(huán)形成組合密封，提高其耐壓力及降低摩擦力。

旋轉(zhuǎn)軸唇型密封品種繁多，其密封唇最常用材料是丁腈橡膠，同時油封常用材料還有聚丙酸酯橡膠、硅橡膠、氟橡膠和聚四氟乙烯等。油封的泄漏，主要是由于：尺寸公差不符標(biāo)準(zhǔn)使油封外緣與腔體配合的靜態(tài)密封表面發(fā)生變形；工況條件苛刻引起油封密封刃口材料的龜裂；密封介質(zhì)使橡膠溶脹，降低橡膠的硬度，使油封過早老化；潤滑液污染使密封唇腐蝕和磨損等。掘進(jìn)機工作中的各種影響因素及其相互作用，都對油封的密封性能和壽命產(chǎn)生很大影響。針對掘進(jìn)機使用工況，開發(fā)并選用特種彈性體（ACM/ECO/FKM/HNBR）取代NBR 等低性能耐油橡膠；對橡膠表面進(jìn)行低摩擦化改性處理，噴涂PTFE 氟橡膠涂層或FEP氟化丙烯等制造低摩擦耐磨橡膠；通過納米技術(shù)改性橡塑材料等，提高橡塑材料的力學(xué)性能及一些特殊的能力。

浮動密封，主要用于低速重載，是緊湊型密封型式，具有耐磨、磨損后自動補償、工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點，掘進(jìn)機的截割懸臂、驅(qū)動裝置、刮板機鏈輪組件、行走導(dǎo)向輪等都廣泛使用。浮封環(huán)主要有鎳鉻合金鑄鐵、高鉻鉬合金、鎢鉻鈷合金、鎳基合金等，適當(dāng)增加鉻、鉬、鎳等可有效提高合金的強度、耐磨性、耐腐蝕性，但也增加了成本。對于多數(shù)材料，浮封環(huán)需要整體淬火硬化或密封面采用感應(yīng)淬火、氮化或等離子弧粉末噴焊、激光淬火等表面硬化處理，相比整體淬火，表面硬化處理可以使金屬環(huán)變形量最小。

3.2 液壓系統(tǒng)的密封現(xiàn)狀與趨勢 往復(fù)動唇形密封廣泛地應(yīng)用在液壓系統(tǒng)的油缸中。其常見的型式有J 型、L型、U 型、V 型與Y 型等，還有各種組合及復(fù)合密封，如彭形、蕾形、多唇形密封等。高壓狀態(tài)要防止被擠出，選用具有足夠強度、硬度，或是帶有支承環(huán)的密封，若高壓、高速或高溫往往使用復(fù)合組合式密封，如霞板公司(Shamban)的“Turcon”滑環(huán)組合密封、卡爾·弗倫登堡公司和日本油封公司的“NCF”、“SIMKO”高效組合密封、道蒂公司的Balmaster、霍爾公司的Hallprone 等，其共同特點是有兩個唇口與缸壁接觸，密封部位中間設(shè)有凹槽，可以貯存介質(zhì)，改善潤滑性，唇損小，密封可靠。目前，多采用在密封唇部設(shè)有貯存潤滑脂的槽或在唇部粘接有低摩擦塑料的結(jié)構(gòu)以提高其壽命，或采用塵刮板與密封件集成一體的結(jié)構(gòu)。

在提高密封件性能的同時，也應(yīng)改善活塞桿的表面質(zhì)量，進(jìn)一步增強掘進(jìn)機油缸密封的可靠性。活塞桿表面噴涂陶瓷是一種先進(jìn)的表面處理方式，可以用來替代鍍鉻，其使用壽命是普通鍍鉻活塞桿的5-6 倍。陶瓷涂層技術(shù)能有機地把金屬材料的強韌性、易加工性等和陶瓷材料的耐高溫、耐磨損、耐腐蝕等特性結(jié)合起來，提高活塞桿的機械性能。

密封元件損壞的主要因素是工作液中的雜質(zhì)，在密封面間研磨，使閥產(chǎn)生泄漏，這是工作液分子擠入的結(jié)果。閥類元件中閥芯和閥套的材料選擇除考慮氣蝕和腐蝕外，還要從摩擦學(xué)角度考慮摩擦副對偶件之間相互的減阻耐磨性等。目前，摩擦副選材來看，比較成功的摩擦副配對有：塑料一金屬、金屬一陶瓷、陶瓷一陶瓷、以及金屬石墨材料和改性的聚四氟乙烯塑料等都具有良好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

本文通過對掘進(jìn)機傳動部件、結(jié)構(gòu)部件和密封材料現(xiàn)狀和應(yīng)用失效的分析，并結(jié)合新材料、新工藝、新技術(shù)的發(fā)展趨勢，應(yīng)從耐磨保護的結(jié)構(gòu)設(shè)計；復(fù)合材料、工程陶瓷等新材料的選取應(yīng)用；先進(jìn)熱處理、表面復(fù)合等強化技術(shù)；無損探傷檢測技術(shù)等入手，改善關(guān)鍵部件及密封件的質(zhì)量，提高整機性能，延長掘進(jìn)機使用壽命。

[1]趙進(jìn)所，趙越超.20CrNi2Mo 鋼重載齒輪應(yīng)用的研究[J].金屬熱處理，2008，33（7）:32-36.

[2]宋庭鋒.礦用設(shè)備齒輪箱齒輪材料的選取[J].煤礦機械，2011，32（7）：104-105.

[3]李文.淺談煤礦機械傳動齒輪損壞原因及改進(jìn)方法[J].山西焦煤科技，2009，3：23-25.

[4]張汝春，張文博.S200M 型掘進(jìn)機回轉(zhuǎn)臺鑄造工藝探討[J].煤礦機械，2005，37：64-66.

[5]劉翠現(xiàn).有效防止煤礦機械磨損的方法[J].煤礦機械，2003，5：87-88.