胡凌云，楊 杰

（中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

1 問題的提出

掘錨機(jī)是集截割、裝載、運(yùn)輸、行走、錨護(hù)、噴霧除塵于一體，能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)與錨護(hù)平行作業(yè)的機(jī)械設(shè)備。其采用變頻調(diào)速行走裝置，具有較強(qiáng)牽引力；臨時(shí)支護(hù)可前探至迎頭，作業(yè)空頂距小，可適應(yīng)各種頂板條件；截割作業(yè)過程中采用掏槽油缸推進(jìn)，機(jī)身保持不動(dòng)，整機(jī)振動(dòng)較少。掘錨一體機(jī)不僅極大地提高了掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸?shù)墓ぷ餍剩瑑?yōu)化了作業(yè)行程，還可實(shí)現(xiàn)高效快速掘進(jìn)，同時(shí)改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度與危險(xiǎn)系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了煤巷掘進(jìn)支護(hù)的一體化、自動(dòng)化。

掘錨機(jī)裝運(yùn)機(jī)構(gòu)主要由裝載部及運(yùn)輸部組成。裝載部主要由鏟板體、耙爪、裝載電機(jī)、裝載減速器構(gòu)成，位于運(yùn)輸部前側(cè)，通過耙爪的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝載過程。裝載部工作過程中，割下的煤與矸石等物料通過耙爪轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)送至運(yùn)輸部，運(yùn)輸部主要由前部運(yùn)輸槽、中部運(yùn)輸槽及運(yùn)輸機(jī)尾三個(gè)部分組成，采用輸送電機(jī)及輸送減速器驅(qū)動(dòng)刮板鏈實(shí)現(xiàn)物料的連續(xù)輸送。割下的煤和矸石與刮板鏈、運(yùn)輸槽間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦，對(duì)中板、底板及運(yùn)輸槽側(cè)幫造成低應(yīng)力磨損，結(jié)構(gòu)件材料不斷通過磨損流失，因磨粒顆粒較大，同時(shí)對(duì)材料表面產(chǎn)生高應(yīng)力作用和沖擊作用，被磨材料表面在力的作用下產(chǎn)生較深劃痕。根據(jù)掘錨機(jī)裝運(yùn)機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)，為提高裝運(yùn)機(jī)構(gòu)的使用壽命，減少因維修產(chǎn)生的時(shí)間及費(fèi)用，掘錨機(jī)裝運(yùn)機(jī)構(gòu)的鏟板及中部槽運(yùn)輸結(jié)構(gòu)件材料采用耐磨鋼板，而提高裝運(yùn)機(jī)構(gòu)耐磨性也成為提高產(chǎn)品壽命的關(guān)鍵問題。本文對(duì)普通耐磨材料和高鉻耐磨復(fù)合鋼板進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 普通耐磨材料

本文采用的普通耐磨材料為低合金高強(qiáng)耐磨鋼NM360，其化學(xué)成分見表1。其顯微金相組織為回火馬氏體組織，具有高強(qiáng)度、較好的韌性和耐磨性，其綜合力學(xué)性能見表2。裝運(yùn)機(jī)構(gòu)中選擇鋼板厚度超過20 mm，通過計(jì)算其碳當(dāng)量可知其焊接性能。碳當(dāng)量計(jì)算公式為：CE＝C＋Mn／6＋Si／24＋Ni／15＋Cr／5＋Mo／4＋Cu／13＋P／2。根據(jù)公式計(jì)算 NM360的碳當(dāng)量值為0.547%，為提高裝運(yùn)部的耐磨性，可采用耐磨焊條進(jìn)行局部堆焊。

表1 NM360鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

表2 NM360鋼的力學(xué)性能

綜上，NM360具有高強(qiáng)度、高硬度、良好的抗粘著磨損性能、較強(qiáng)的韌性、良好的焊接性能及機(jī)械加工性能。生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，其平均使用壽命不超過200萬噸。

3 耐磨復(fù)合鋼板

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的耐磨材料已無法滿足生產(chǎn)需求，新型耐磨復(fù)合鋼板在這幾年迅猛發(fā)展，逐步進(jìn)入煤礦機(jī)械行業(yè)。耐磨復(fù)合鋼板是在普通鋼板表面堆焊一層耐磨復(fù)合中板，復(fù)合層與基體金屬通過冶金手段結(jié)合，使材料表面的耐磨性得到大幅提高，而高鉻合金堆焊耐磨復(fù)合鋼板因其優(yōu)良的綜合機(jī)械性能及經(jīng)濟(jì)性被廣泛應(yīng)用。

3.1 高鉻耐磨復(fù)合鋼板的制作

因堆焊工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，操作靈活，適用面廣泛，被應(yīng)用于鋼板表面制作耐磨合金層。采用明弧自動(dòng)堆焊技術(shù)，將含有Fe-Cr-C耐磨合金粉末與含有高碳高鉻成分的焊絲一同高溫熔化，使合金粉末與Q235B鋼、Q345A鋼金屬基體冶金熔合，冷卻結(jié)晶后形成含有高鉻的耐磨層。

該焊接方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：無焊渣焊瘤；可通過增加堆焊層數(shù)來提高堆焊層硬度及耐磨性；可通過焊接工藝參數(shù)的控制，獲得更細(xì)化晶粒來增加堆焊層的硬度及耐磨性；堆焊層含有高鉻高碳元素，在冷卻結(jié)晶過程中可形成高硬度初生碳化物，具有較優(yōu)的抗磨粒磨損和抗切削磨損能力；通過改變藥芯焊絲內(nèi)合金含量或種類可獲得不同力學(xué)性能的復(fù)合鋼板；自動(dòng)焊接質(zhì)量均勻平整，堆焊層中硬質(zhì)相分布均勻，有效地避免了不均勻磨損的出現(xiàn)。

3.2 高鉻耐磨復(fù)合鋼板的特點(diǎn)

（1）良好的耐磨性及韌性。高鉻堆焊層金相組織大量為初生碳化鉻Cr7C3，碳化鉻洛氏硬度可達(dá)HRC58～HRC64，遠(yuǎn)高于NM360傳統(tǒng)耐磨材料硬度?；w為鐵素體與奧氏體組織，具有良好的韌性，可防止運(yùn)輸過程中由于顆粒的切削作用力導(dǎo)致的材料磨損。隨著堆焊層厚度的增加，其強(qiáng)度、硬度也隨之增加，表面耐磨性更好。還可在藥芯焊絲中加入鉬、鎢等金屬化學(xué)成分，增加其在高溫狀態(tài)的耐磨性。

（2）抗沖擊性能。目前堆焊工藝已經(jīng)成熟，堆焊層與基體可以很好地冶金熔合，兩種材料焊接交界處無氣孔、裂紋等焊接缺陷，高鉻耐磨復(fù)合鋼板既具有耐磨特性，又具有Q235B、Q345A鋼等基體良好的綜合性能，可有效避免沖擊載荷對(duì)耐磨板造成的影響。復(fù)合鋼板表面分布著較多的細(xì)小裂紋，有益于焊接應(yīng)力的釋放，有效防止了母材的變形，同時(shí)高鉻復(fù)合鋼板在承受載荷時(shí)可有效避免堆焊層剝落。

（3）可加工性能及經(jīng)濟(jì)性能。耐磨復(fù)合鋼板便于加工成型，可加工成任何形狀。母材Q235B、Q345A等焊接性優(yōu)良，安裝方式多樣，適用于多種工況。耐磨復(fù)合鋼板雖然制造成本高于普通耐磨鋼板，但其優(yōu)良的機(jī)械性能可大大延長設(shè)備的使用壽命（達(dá)400萬噸），降低設(shè)備損壞率，減小生產(chǎn)成本，既具有高的經(jīng)濟(jì)效益又具有好的環(huán)保效益。

3.3 高鉻耐磨復(fù)合鋼板的應(yīng)用

高鉻耐磨復(fù)合鋼板是采用焊接方式將耐磨材料與基體冶金結(jié)合，可通過選擇基體材料厚度、堆焊厚度制成不同規(guī)格型號(hào)的高鉻耐磨復(fù)合鋼板，掘錨機(jī)裝運(yùn)機(jī)構(gòu)采用的規(guī)格為基體厚度20mm＋堆焊層厚度8 mm，如圖1、圖2所示，經(jīng)采樣測(cè)量平均硬度可達(dá)HRC61～HRC62。同時(shí)復(fù)合材料又兼具母材良好的機(jī)加、焊接性能，不僅可制成平板形狀，還可通過切割、打孔、焊接、彎曲等加工手段，將其加工成弧板、圓筒等形狀，可廣泛應(yīng)用于采礦、電力、水泥、機(jī)械等行業(yè)。目前我國在生產(chǎn)制造耐磨復(fù)合鋼板方面，生產(chǎn)工藝成熟，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

圖1 高鉻耐磨復(fù)合鋼板

圖2 輸送機(jī)構(gòu)中部槽

4 結(jié)語

掘錨機(jī)工作環(huán)境較為惡劣，連續(xù)工作時(shí)間長，工作強(qiáng)度較高，設(shè)備長期處于較大負(fù)載狀態(tài)，并伴隨沖擊載荷，且煤礦中含有煤矸石，對(duì)掘錨機(jī)裝運(yùn)機(jī)構(gòu)磨損最為嚴(yán)重，維修難度較高。經(jīng)過對(duì)比，高鉻耐磨復(fù)合鋼板較NM360等傳統(tǒng)的耐磨板有更優(yōu)異的耐磨性、韌性及可加工性，整機(jī)大修時(shí)鋼板仍可通過補(bǔ)焊耐磨層重復(fù)使用。經(jīng)過掘錨機(jī)工業(yè)性試驗(yàn)，裝運(yùn)部的維修時(shí)間與維修費(fèi)用明顯減少，同時(shí)降低了井下員工勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了掘錨機(jī)裝運(yùn)機(jī)構(gòu)的使用壽命。綜上所述，高鉻耐磨復(fù)合鋼板在煤礦機(jī)械領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。