譚君海

（山西潞安礦業(yè)集團(tuán)公司常村煤礦，山西長治046102）

引言

在掘進(jìn)機(jī)工作過程中，若遇到的載荷為復(fù)雜突變載荷，這種載荷易引發(fā)掘進(jìn)機(jī)發(fā)生劇烈振動、部分部件出現(xiàn)疲勞損壞甚至斷裂。掘進(jìn)機(jī)各工作機(jī)構(gòu)受力相互影響、部分關(guān)鍵零部件存在設(shè)計缺陷、加工精度不達(dá)標(biāo)、熱處理不合格、工作時磨損嚴(yán)重、密封件密封不良、潤滑件潤滑不充分等，都易引發(fā)掘進(jìn)機(jī)發(fā)生損壞，而從掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件材料性能與重要結(jié)構(gòu)失效等方面著手研究，可有效提高掘進(jìn)機(jī)各部件性能，加速掘進(jìn)機(jī)的升級換代，以便更好地服務(wù)于礦井掘進(jìn)施工。

1 機(jī)械傳動部件

1.1 傳動部件材料應(yīng)用現(xiàn)狀

在實(shí)際生產(chǎn)中掘進(jìn)機(jī)時常需要低速重載運(yùn)行，實(shí)施掘進(jìn)作業(yè)時，需經(jīng)受矸石沖擊及包裹體沖擊等，有時巷道底板也會十分不穩(wěn)定，這就要求掘進(jìn)機(jī)必須具有安全、可靠、穩(wěn)定且密封性能良好的截割系統(tǒng)與行走傳動系統(tǒng)。

當(dāng)前人們用低碳合金鋼材料來制作掘進(jìn)機(jī)行星齒輪的較多，如18Cr2Ni4WA材料以及20Cr2Ni4A材料等，經(jīng)一系列滲碳淬火處理作業(yè)后，其心部強(qiáng)度也會很強(qiáng)，沖擊韌性也可達(dá)到很高，并且也能具有很高的硬度；同時會用42CrMo材料與40Cr材料來充當(dāng)齒輪內(nèi)齒圈材料，這些材料經(jīng)氮化處理后，其表面硬度也可達(dá)到很高；通常用40Cr調(diào)質(zhì)鋼材料來制作傳動軸[1]。

1.2 傳動部件材料的失效分析

齒輪的折斷、齒面的點(diǎn)蝕以及軸斷裂等是傳動零部件的主要失效形式。之所以易出現(xiàn)上述失效現(xiàn)象其原因主要有：

1）熱處理工藝不達(dá)標(biāo)，采用傳統(tǒng)的滲碳淬火工藝進(jìn)行加工作業(yè)時，易發(fā)生較大變形，再經(jīng)精加工后其碳層厚度很難分布均勻，部分部位碳層可能會過薄，以致對齒輪壽命造成影響；

2）材料質(zhì)量沒有很好的穩(wěn)定性，材料存在過多雜質(zhì)，其內(nèi)部晶粒分布不均勻，在進(jìn)行鍛造作業(yè)時，易形成鍛造缺陷或造成應(yīng)力集中現(xiàn)象，若遇到重載情況，易形成斷裂事故等。

1.3 傳動部件發(fā)展趨勢

1）應(yīng)用低溫?zé)崽幚砑夹g(shù)來進(jìn)一步控制傳動部件熱處理變形。如采用稀土碳氮技術(shù)可使?jié)B碳溫度降低來對傳動部件熱處理變形進(jìn)行控制。

2）復(fù)合表面處理?？砂延不瘜酉敕皆O(shè)法地覆蓋于軟基體上，來使傳動部件表面更強(qiáng)、更硬、更耐磨。如可進(jìn)行氮化加Tin涂層以及CrN涂層進(jìn)行處理，電鍍Cr離子進(jìn)行氮化或采用離子碳氮共滲技術(shù)進(jìn)行處理。讓軟基體上先變?yōu)橐粚佑不讓?，然后再進(jìn)一步覆蓋軟鍍層，這樣不但能確保齒輪強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，而且能有效改善摩擦性能，大幅延長齒輪壽命[2]。

3）使用新材料?？砂妖X輪滲碳鋼換為超高強(qiáng)度的硬化鋼，這樣不但能進(jìn)一步延長齒輪壽命，而且能大幅減輕齒輪質(zhì)量。努力開發(fā)含碳量低，含Cr、Mo、Ni高的低碳合金鋼[3]。

2 結(jié)構(gòu)部件

2.1 結(jié)構(gòu)部件材料應(yīng)用現(xiàn)狀

截割頭、裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、行走架、本體架、履帶板等這些為掘進(jìn)機(jī)的主要結(jié)構(gòu)部件。就掘進(jìn)機(jī)工程應(yīng)用現(xiàn)狀而言，截割頭是最易破壞的結(jié)構(gòu)件，其次為轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等，這些結(jié)構(gòu)件大多易出現(xiàn)磨損，發(fā)生開焊以及形成疲勞斷裂破壞等。

截齒截割巷道斷面主要是在截割頭的旋轉(zhuǎn)與擺動作用下完成的，人們常用42CrMo材料來制作截齒與齒座，該種材料在經(jīng)熱處理后能達(dá)到很高強(qiáng)度與很強(qiáng)的韌性，能很好地滿足掘進(jìn)機(jī)截齒與齒座工作需求。用16Mn來制作基體，可使基體具有良好的可焊性，可很好地彌補(bǔ)進(jìn)行齒座焊接時，造成的應(yīng)力過度集中現(xiàn)象。掘進(jìn)機(jī)截割好的物料主要通過裝運(yùn)機(jī)構(gòu)中部槽進(jìn)行運(yùn)輸，要求人們必須重視提高掘進(jìn)機(jī)裝運(yùn)機(jī)構(gòu)中板耐磨性。當(dāng)前人們主要應(yīng)用高強(qiáng)度耐磨鋼板來制作掘進(jìn)機(jī)中部槽來提高其耐磨性，如NM360材料就是一種較常用的材料，這種材料強(qiáng)度高、耐磨性能好、韌性好，且易焊接，易進(jìn)行機(jī)械加工[4]。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)的另一重要部件為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理與否、材料選取的恰當(dāng)與否以及熱處理工藝的科學(xué)與否等都會直接影響到機(jī)器性能。當(dāng)前ZG270-500材料與ZG25Mn2材料是國內(nèi)很多掘進(jìn)機(jī)在制作回轉(zhuǎn)體時主要用到的鑄造材料。以上這兩種材料的強(qiáng)度以及塑性都相對較好，鑄造性能也較好，且也較易焊接[5]。

2.2 結(jié)構(gòu)部件材料失效分析

掘進(jìn)機(jī)截割部截齒在截割煤巖時，不僅需承受較大的剪應(yīng)力與壓應(yīng)力，而且需經(jīng)受沖擊載荷作用，如堅(jiān)硬的瘤鐵核沖擊，粗大的石英晶粒沖擊等，同時還會伴有劇烈摩擦以及經(jīng)受局部高溫作用。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過統(tǒng)計多個煤礦截齒的失效形式發(fā)現(xiàn)磨損嚴(yán)重、硬質(zhì)合金頭發(fā)生脫落、合金頭出現(xiàn)崩裂、剝落以及齒體發(fā)生彎曲、折斷等。

對于刮板鏈而言，其失效形式大多為斷鏈。刮板鏈在工作時，一方面需承受劇烈摩擦，另一方面需承受的靜載荷與動載荷也相對較大，同時礦井積水也會侵蝕鏈條。此外，鏈輪工作時，需承受的脈動載荷與沖擊作用也相對較大，鏈輪易發(fā)生磨損失效，鏈輪熱處理方法的不科學(xué)、不合理，造成其淬火硬度偏低使其易發(fā)生磨損失效的一重要原因。

回轉(zhuǎn)體發(fā)生疲勞破壞甚至發(fā)生斷裂現(xiàn)象，回轉(zhuǎn)體發(fā)生上述故障大多是由于截割時的動應(yīng)力與沖擊作用于回轉(zhuǎn)體使回轉(zhuǎn)體發(fā)生損壞。對回轉(zhuǎn)體自身而言，其也存在鑄造缺陷，熱處理不當(dāng)，致使工件機(jī)械性能不達(dá)標(biāo)等。

2.3 結(jié)構(gòu)部件先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用

對于鎬型截齒而言，其主要由三部分組成，分別是刀頭、齒頭以及齒柄，這幾部分需使用硬質(zhì)合金材料，具體可借助釬焊工藝把硬質(zhì)合金刀頭想方設(shè)法的嵌入齒體進(jìn)行連接。截齒在工作過程中經(jīng)常需承受較大載荷，易發(fā)生嚴(yán)重磨損，刀頭易發(fā)生脫落[6]。對此，可通過堆焊一堆焊層于嵌入合金刀頭四周，就相當(dāng)于裝設(shè)了一圈鎧甲來加固齒體薄弱環(huán)節(jié)，這樣可有效延長齒體使用壽命。

3 密封部件

由于掘進(jìn)機(jī)作業(yè)環(huán)境惡劣，工作時需經(jīng)受高濃度的粉塵、強(qiáng)烈酸性氣體以及水的侵蝕作用，因此必須做好掘進(jìn)機(jī)傳動系統(tǒng)以及液壓系統(tǒng)部分關(guān)鍵元件的密封工作。當(dāng)前O型密封圈密封、油封以及浮動密封等是掘進(jìn)機(jī)主要應(yīng)用的幾種密封。

機(jī)械傳動密封現(xiàn)狀及趨勢就各種密封應(yīng)用情況而言，應(yīng)用最廣泛，最受人們歡迎的是擠壓型密封，尤其以O(shè)型圈密封應(yīng)用最多。在改進(jìn)密封件時，應(yīng)本著提高密封耐壓能力，有效降低其摩擦力，使密封件更穩(wěn)定、更可靠為原則。

旋轉(zhuǎn)軸唇密封具有很多品種，通常用丁啨橡膠材料來做其密封唇，另外，常用聚丙酸脂橡膠材料以及硅橡膠材料等來做油封。掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時，很多因素都會影響到油封密封性以及油封使用壽命。對此，可通過開發(fā)部分特種彈性體來代替各種低性能耐油橡膠?？稍谙鹉z表面開展各種低摩擦化改性處理，這樣可有效提高油封使用性能，起到更好的密封作用。

浮動密封屬于一種緊湊型密封，其較適合應(yīng)用于低速重載場合。在掘進(jìn)機(jī)很多部位都使用了該種密封。如截割懸臂、刮板機(jī)鏈輪以及驅(qū)動裝置等處都有應(yīng)用。為有效提高浮封環(huán)強(qiáng)度，應(yīng)盡量選用含鉻、鉬、鎳元素相對較高的合金材料來制作浮封環(huán)，另外還應(yīng)重視對浮封環(huán)進(jìn)行整體硬化處理與表面硬化處理，這樣制作出的浮封環(huán)會更耐磨。

4 結(jié)語

傳動部件、結(jié)構(gòu)部件以及密封部件等都是掘進(jìn)機(jī)正常生產(chǎn)必不可少的部件，通過對這些部件所用材料應(yīng)用現(xiàn)狀及失效形式的分析，并在綜合各種新技術(shù)、新材料以及新工藝的基礎(chǔ)上研究其發(fā)展趨勢，有助于提升掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件質(zhì)量，改善掘進(jìn)機(jī)整體性能，促進(jìn)煤礦掘進(jìn)工作的高產(chǎn)、高效，進(jìn)一步提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

[1]楊春海.掘進(jìn)機(jī)材料選擇及工藝優(yōu)化設(shè)計[J].煤炭技術(shù)，2015（11）：45-48.

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

[3]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，2014（3）：32-36.

[4]李文.淺談煤礦機(jī)械傳動齒輪損壞原因及改進(jìn)方法[J].山西焦煤科技，2013（3）：23-25.

[5]張汝春，張文博S200M型掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)臺鑄造工藝探討[J].煤礦機(jī)械2013（7）：64-66.

[6]劉翠現(xiàn).有效防止煤礦機(jī)械磨損的方法[J].能源與節(jié)能，2014（5）：87-88.