任宇軒，龐新宇，李 博，王學文

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

刮板輸送機是采煤工作面“三機”的關鍵設備之一，在很大程度上決定了煤炭生產(chǎn)能力和作業(yè)效率，其運行狀態(tài)直接決定了煤炭生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。刮板輸送機的工作狀況極其惡劣，在工作過程中受到拉、壓、彎曲、摩擦、沖擊和腐蝕的影響。中部槽中板作為刮板輸送機運輸物料的主要承載部件，在工作中會出現(xiàn)不同程度的磨損，嚴重時甚至影響工作面的正常生產(chǎn)[1-3]。

為此，眾多學者們對刮板輸送機中部槽的磨損行為進行了研究，趙運才[4]等采用摩擦學系統(tǒng)分析方法研究了中部槽摩擦學系統(tǒng)結構，得出中部槽磨損失效的類型主要是磨料磨損、腐蝕磨損，并在重載時可能發(fā)生黏著磨損。梁紹偉[5]等選用褐煤、焦煤、無煙煤三種煤料作為三體磨料進行不同條件磨損試驗，發(fā)現(xiàn)中部槽的磨損以無煙煤為磨料時最大，隨后是焦煤，褐煤最小，且磨損量與壓力和粒度正相關。史志遠[6]等研究了在不同矸石與水含量配比的煤料下，壓力與滑動速度對中部槽磨損的影響，得到磨損量隨壓力和滑動速度的增加而增加，隨著水、煤和矸石比例的增加而減少。王巧梅[7]通過熱處理方式得到了不同硬度的中部槽試樣，通過三體磨粒磨損試驗，得到中部槽磨損與其表面硬度成反比的規(guī)律。陳祖向[8]等利用UG建立了刮板輸送機的三維簡化模型，并在離散元軟件EDEM中進行仿真，得到中部槽磨損量隨著速度、煤料硬度、含矸率的增加而增加。文獻[9-12]也從不同角度研究了中部槽磨損規(guī)律。

此前考察中部槽磨損規(guī)律基本采用的是控制變量法，但對于實際運煤工況來說，明確哪些因素起主導作用至關重要，目前缺少結合其復雜工況綜合考察中部槽耐磨性的研究。本文從正交試驗角度入手，對多種中板材料進行了磨損試驗研究，旨在發(fā)現(xiàn)各因素對磨損量的影響規(guī)律和不同材料的耐磨性，并分析出哪些因素是主要影響中部槽磨損的因素，而哪些因素又對其磨損影響不大，為類似試驗提供理論依據(jù)。

1 試驗條件

1.1 試驗設備

參考JB/T 7506—94等磨粒磨損試驗的相關標準，結合本試驗具體的工況，試驗設備采用ML-100C型磨粒磨損試驗機。試驗機外觀如圖1所示，ML-100C型磨粒磨損試驗機在ML-100型的基礎上改進了下底盤載料裝置，使其可以實現(xiàn)三體磨粒磨損狀態(tài)。該機主要模擬在砂石、礦石、泥沙等磨粒條件下的滑動磨損試驗，有三種工作方式(往復、旋轉和混合)，該試驗采用的是旋轉方式。工作時上試樣保持不動，載荷由砝碼施加。下試樣固定在下轉盤上，下轉盤和料槽由主電機通過輸送帶帶動。

圖1 ML-100C型磨粒磨損試驗機

1.2 試驗材料

上試樣采用16CrMo合金結構鋼來模擬刮板鏈與刮板，為了更好的符合實際工作中刮板鏈卡住煤顆粒等情況，在上試樣底面加工出斜面形成楔形試塊，試塊表面硬度為165HB。上、下試樣外形分別如圖2、圖3所示。

圖2 上試樣

圖3 下試樣

用來模擬中板的下試樣選取16Mn、NM360、NM400、NM450、NM500和HD400板6種材料，每組試驗將不同材料的6塊扇形圓環(huán)試樣拼合成一個圓環(huán)。下試樣的硬度值見表1。

表1 下試樣硬度值 HRA

1.3 試驗方法

將6塊下試樣按照一定順序拼合成環(huán)形并固定在下轉盤上，料槽中加入試驗所需條件的煤料，固定上試樣并按試驗方案來設置加載壓力和滑動速度，每次試驗時間均為8h。試驗指標為質(zhì)量失重，試驗前后的稱重采用FA3204B型電子天平(精度為0.1mg)，每組試驗測量5次取平均值。中板試樣磨損前后形貌如圖4所示。

圖4 中板試樣

2 正交試驗

2.1 中部槽磨損影響因素

中部槽磨損是由于刮板機在生產(chǎn)運行中貨物、刮板以及刮板鏈對中部槽長時間的擠壓產(chǎn)生了摩擦，從而造成了中部槽的磨損。通常中部槽內(nèi)中板磨損最為嚴重，接下來是底板和槽幫。由于刮板(刮板鏈)、煤料和中板間發(fā)生的是三體磨損，故煤料性質(zhì)和環(huán)境因素是影響中部槽磨損的主要原因[13，14]。

1)磨料性質(zhì)影響。不同礦區(qū)開采的煤性質(zhì)相差很大，其變質(zhì)程度、抗碎強度、含水率、含矸率等有很大差異。煤料顆粒越大，對中部槽的沖擊和摩擦磨損越大。水分含量直接影響物料黏度，進而影響摩擦系數(shù)和磨損。含矸率越高，與中部槽接觸的矸石就越多，而矸石硬度遠大于煤料硬度，其對中部槽的磨損起主導作用。

2)環(huán)境因素影響。不同煤礦甚至同一煤礦的不同工作面，其刮板機工作時的鏈速不同，磨損速率也不同。單位時間內(nèi)落煤越多，刮板機中部槽上堆積的煤料越多，對中板造成的壓力越大。

2.2 正交試驗

綜上所述結合本試驗條件，選取了6個對中板磨損有影響的因素：煤種、煤料粒度、含水率、含矸率、壓力和加載速度。根據(jù)以往中部槽磨損試驗經(jīng)驗和正交試驗設計的特點，每個因素選取3個水平[15]，進行“六因素、三水平”L18(36)正交試驗，正交試驗水平表見表2。

表2 因素水平表

三種煤的性質(zhì)數(shù)據(jù)見表3。

表3 三種煤的性質(zhì)

正交試驗設計方案及磨損結果見表4。

表4 正交試驗設計方案及結果 mg

3 結果分析

為研究各因素對中板材料磨損量影響的重要程度，選取NM450板的磨損量進行直觀分析。同時，為盡可能減小試驗誤差對結果準確性的影響，還采用了相應的方差分析方法，評估各因素對結果影響的顯著程度。

3.1 直觀分析

由表4中NM450板磨損量實驗數(shù)據(jù)可以看出，在第1組試驗(A1B1C1D1E1F1)條件下，即煤種A、2～4mm粒度、5%含水率、5%含矸率、0.7m/s滑動速度和10N的壓力下，磨損量最小。在第3組試驗(A1B3C3D3E3F3)條件下，即煤種A、6～8mm粒度、15%含水率、15%含矸率、0.9m/s滑動速度和30N的壓力下，磨損量最大。但表2中試驗參數(shù)范圍有36=729種組合，無法斷定第1組試驗條件是試驗參數(shù)范圍內(nèi)的磨損量最小方案。因此，需要對試驗結果作進一步分析。NM450板磨損量的極差分析表見表5。

表5 磨損量極差分析表

因素的極差R越大，該因素對磨損量的影響越大，由表5可獲得，磨損量對含水率最為敏感，其次是壓力和含矸率，對滑速、粒度和煤種類不敏感，各因素對中板材料磨損量大小的影響次序為(主)C→F→D→E→A→B(次)。

以各因素的三水平為橫坐標，以相應條件下中板試樣磨損量為縱坐標，得到各因素的水平與磨損量之間的關系如圖5所示。由圖5可以看出，含水率、含矸率和壓力三因素曲線縱向跨度大，代表其極差R的大小，而其余三因素曲線跨度則很小。曲線走向反映了不同水平對磨損量的影響，可以看到磨損量與粒度、含水率、含矸率、速度和壓力均呈正相關，其中與壓力近乎為線性關系，而對含水率、含矸率和速度先增加較慢后增加變快。含水率與壓力對磨損影響較大的原因是，在高含水率下，煤料黏度發(fā)生變化，與中部槽的摩擦系數(shù)增大，而在壓力較大的重載工況下，更容易超過中部槽表面微凸體的屈服極限，這兩者都能導致中部槽材料的磨損由磨粒磨損轉化為粘著磨損和磨粒磨損的混合。

圖5 各因素水平與磨損量關系

由圖5與極差分析表綜合得到，磨損量最大的工況是煤種A、6～8mm、含水率15%、含矸率15%、滑速0.9m/s、壓力30N，即磨損量最大的水平搭配為A1B3C3D3E3F3，該因素水平組合正是18組正交試驗中磨損量最大的第三組搭配。為使磨損量最小，工況為煤種B、粒度2～4mm，含水率5%，含矸率5%，滑速0.7m/s，壓力10N，即磨損量最小的水平搭配為A2B1C1D1E1F1，相較于試驗中磨損量最小的第一組A1B1C1D1E1F1，可以看到兩者只有A因素不同，即最優(yōu)搭配將第1組試驗中的煤種替換成了相應使磨損量最小的水平，而煤種是對磨損量影響相對較小的因素，這也驗證了結論的準確性。

3.2 方差分析

為了檢驗各因素影響的顯著性并對試驗誤差影響進行分析，利用上述數(shù)據(jù)進一步計算得到磨損量方差分析表，并求出F值。查F檢驗表知，F(xiàn)0.2(2，5)=2.3，F(xiàn)0.05(2，5)=5.8，F(xiàn)0.01(2，5)=13.3，其中含水率、壓力與含矸率的F值，均大于F0.05(2，5)，故認為含水率、壓力和含矸率三因素對磨損量的影響顯著，其余三因素影響不顯著，且有95%的把握該結論正確。由方差分析得到的結果與極差分析得到的結果是一致的，在研究刮板輸送機中部槽磨損的試驗中，可以重點考察含水率、含矸率和加載壓力。

3.3 不同中板材料對比

由表3看出具體在每組試驗中，磨損量由大到小的材料依次為16Mn、NM360、NM400、HD400、NM450和NM500板，也就是說，材料的硬度越高，相應的磨損量越小，進口的HD400板比NM400耐磨。取第1組和第3組試驗磨損量，繪制與硬度的關系并線性擬合如圖6所示，兩組擬合曲線的決定系數(shù)R2均大于0.8，也就是說，不同試樣的磨損量與本身的硬度是線性負相關的。

表6 磨損量方差分析表

圖6 磨損量與硬度的關系

將六種材料的磨損量進行方差計算并作圖對比如圖7所示。含水率、含矸率和壓力三者在不同材料耐磨性中均起主要作用。不同材料的差異體現(xiàn)為，耐磨性越差的材料，三因素對磨損影響的顯著性越不明顯，雖然并非各材料的三因素F值均大于5.8，但各材料的含水率、含矸率和壓力三因素F值均大于2.3(相對顯著)，而煤種、粒度和速度表現(xiàn)為不顯著。

圖7 六種材料的各因素方差F值

4 結 論

1)在影響中部槽磨損的多個因素中，只有含水率、含矸率和壓力的影響顯著，煤種、粒度和速度是次要的，后期在類似中部槽磨損試驗的工況設計中，可以優(yōu)先考慮含水率和含矸率，簡化試驗設計過程，提高試驗效率。

2)中部槽磨損隨著含水率、含矸率、壓力的增加而增大，其中與壓力幾乎為線性關系，而對含水率和含矸率均先增加較慢后增加變快。在高含水率和重載情況下，磨損機制容易發(fā)生轉變而加劇了磨損。

3)中板試樣表面硬度越高，耐磨性越好，磨損量與試樣硬度近乎呈線性負相關。六種材料的耐磨性由低到高依次為16Mn、NM360、NM400、HD400、NM450和NM500，進口HD400板比NM400板耐磨，16Mn材料耐磨性最差。