矿山机械磨损

报告题名：,矿用截齿磨损失效分析及对策,江西理工大学：赵运才,2008年5月,0、前言,矿山机械的工作对象为各种矿石、煤炭、岩石和砂土等，在采掘、截割、装载运输、破碎、分选、提升过程中会受到严重的磨损。经常发生机件和工具的失效。如果同时又受到含有酸、碱及其他化学腐蚀性物质的矿下水和气体的多重腐蚀，就会加剧机件的磨损。,由于矿山机械的磨损失效，每年给国民经济带来巨大的损失。根据有关部门的不完全统计，我国冶金矿山、煤炭、建材、石油、电力等工业部门每年仅由于磨损而需要补充的设备备件达200多万吨钢材，直接经济损失几百亿元。其中冶金矿山系统每年因磨损而失效的设备备件就达50多万吨，损失达20-30亿元。与此同时，因设备损坏、停机、停产而造成的间接经济损失更是巨大的和无法统计的。,另一方面，我国矿山机械设计和制造中由于受传统习惯的束缚，及对摩擦学知识缺乏了解，不能将当今国内外先进的抗磨技术和耐磨材料及时地应用在矿山机械设计和制造上，造成我国矿山机械易磨损机件的使用寿命远远低于国外先进水平。,一、矿山开采技术特点,矿山开采分露天开采和地下开采两种。露天开采要首先将表层岩土剥离然后进行煤炭和矿石的开采；地下开采要开凿竖井或斜井，到达煤层或矿层之后，再开凿出煤巷或岩巷以及采煤或采矿工作面，然后开采煤炭或矿石，运出地面。,不论是露天开采还是地下开采目前主要依靠爆破和矿山机械进行，剥离下的煤炭、矿石、岩土要经过装、铲、运、提升才能运出矿山。在整个生产过程中，机械设备都是直接同坚硬、尖锐的矿石、岩石或煤炭摩擦、碰撞，对机件造成严重的磨损。,二、矿山采掘的环境特点,冶金矿山开采主要以地下开采为主，露天开采只占约8.2%。地下开采工作环境最大特点：一是湿度大，一般空气中相对湿度多在8090，有的机械甚至浸泡在水中工作；,第二是矿井水质酸碱度较高，PH值在6.59.5之间变化；第三是井下空气中常含有CO2、SO2、NO2、H2、CH2、CH3、H2S等有害气体和煤岩粉尘；第四是井下强制通风，空气或水中氧气富集；第五是井下杂散电流大，促进电化学腐蚀。上述井下工作环境造成机械装备严重的腐蚀；加上严重的磨料磨损，是矿山机械使用寿命低的主要原因。,矿物加工主要是指用物理或化学方法将矿物原料中有用矿物和无用矿物（通常称脉石、矸石)或有害矿物分开。将多种矿物分离开的过程，又称为选矿。在选矿过程中，往往要进行破碎，筛分，磨碎，洗矿（或洗煤）。破碎矿石主要用破碎机械，常用的有：颚式破碎机、锤式破碎机、辊式破碎机等，其破碎方式有压碎、击碎、劈碎等。,三、矿物加工的工况条件,磨碎矿石的方法有研磨和冲击等。常用的磨矿设备有：棒磨机、球磨机、自磨机等。磨碎作业耗能高，通常约占选矿总能耗的一半。筛分是按筛孔的大小将物料分为不同的粒度级别。由此可见，在矿物的整个生产过程中，都是靠机械直接与矿石发生碰撞、辊压、摩擦而进行的。机械零部件受矿石的磨损十分严重，另外在洗矿、重选、磁选、浮选过程中，还要受到各种介质的腐蚀，更加重了机件的磨损。,矿用截齿磨损失效原因及对策探讨,矿用截齿是采煤及巷道掘进机械中的易损件之一，它的性能的好坏直接影响采煤生产能力的发挥、功率的消耗、工作平稳性和其它零件的使用寿命。而我国目前截齿的生产在质量上与国外相比尚有较大差距，因此，对截齿进行失效分析，了解其磨损机理，对研制新型刀头的耐磨材料与工艺，降低采煤机截齿消耗量，提高劳动生产率，推广机械化采煤，减轻井下工人的劳动强度等都是很有意义的。,四、举例说明,1、截齿的失效分析,截齿在切割煤岩时承受高的压应力、剪切应力和冲击负荷，煤的硬度虽不很高，但其中经常会遇到煤砰石等硬的矿料，并且在采煤和凿岩过程中，截齿还有升温问题，导致齿顶材质软化，加速了截齿的失效过程。,1.1磨粒磨损截齿在工作过程中，磨粒(煤砰石等)与截齿表面间产生较大的压应力，带有锐利棱角并具有合适的迎角的磨粒能切削截齿表面形成显微切削；如果磨粒不够尖锐或刺入截齿表面角度不适当，则在截齿表面挤出犁沟，随着截齿工作时间的延长，磨粒反复对截齿表面推挤，产生严重的塑性变形流动，使得表面下层塑性发生相互作用，导致塑变区内位错密度增加，导致变形材料表面产生裂纹，裂纹扩展，截齿表面形成薄片状磨屑。,而且煤层中存在腐蚀性介质与截齿表面发生化学反应，而造成表层材料腐蚀，机械性能下降，并使表层金属与基体材料结合力降低，加快了截齿材料表层的磨损。,1.2热疲劳磨损截齿在切割煤岩时，承受高的间歇式的冲击载荷，为了分析其对截齿表层的破坏，可将冲击载荷分解成法向力和切向力。法向力和切向力通过接触点作用传递到截齿次表层，在这些力的作用下，截齿表面上较硬的微凸点将变形，反复挤压导致附近软表面产生塑性流动并在截齿亚表层形成积累。,同时截齿在切削煤岩时，由于磨损热使刀头磨损表面产生600-800的高温，而截齿切削煤岩是周期性的回转运动，故升温是交变的，当刀头接触煤岩时升温，离开煤岩时降温，使截齿齿顶产生高温回火，其组织一般为回火索氏体和铁素体，其硬度下降50%，加速了截齿的磨损。由于截齿表层温度的不断变化，材料表层进一步软化，导致塑变区内出现波浪式塑性流动和位错密度增加，反复的弹塑变形，又使位错集中，继而在表层出现横向微裂纹。,大量的调研表明，各矿用截齿的失效各不相同，软质煤或夹矸石少的各矿，截齿失效以多次磨损为主，硬质煤或夹砰多的各矿多以合金头崩碎、丢失和刀杆折断为主。一般来说，被磨材料的硬度与抗磨料磨损性能成正比，但在复杂的工况的条件下，高硬度不一定对应高的耐磨性，尤其在受冲击载荷时更是这样。,同时在截齿的磨损失效过程，材料的硬度和磨料的硬度都不是一个准确值，因为材料中可能存在软的部分(如硬质合金中的粘结相，刀体中的铁素体相)，软磨料中也可能存在硬的粒子(如煤中的黄铁矿、石英等)，煤实际上是一种混合磨料，其中软磨料对截齿表面反复挤压导致材料的疲劳磨损，而硬磨料则直接犁切截齿表面。,2对策探讨,(1)由于截齿在切割煤岩时承受高压应力、剪切应力和冲击负荷，因此，在保证截齿表面足够的耐磨性的同时，要注意截齿材料的韧性，以提高截齿的综合机械性能，延长截齿的使用寿命。,(2)改进截齿齿体与齿头的复合形式。传统的截齿采用钎焊工艺，存在齿体与齿头的硬度梯度较大(HRC30-70)和钎焊焊缝强度低等缺陷。采用镶铸工艺刀头硬质合金与截齿体产生熔合层，解决了硬质合金与截齿体间的联接问题，大大提高了固接强度，而且铸钢往往具有二次硬化效应，在保持齿头高硬度的同时，基体具有较高冲击韧性，能够满足整体性能要求。,(3)正确的选用截齿的类型。镐型齿适用于层理、