大型礦山挖掘機(jī)斗齒磨損失效分析與耐磨方案

目前我國在礦山設(shè)計(jì)和制造過程中由于受傳統(tǒng)習(xí)慣的影響及對(duì)摩擦學(xué)研究不夠深入，不能將當(dāng)今國內(nèi)外先進(jìn)的抗磨技術(shù)和耐磨材料及時(shí)應(yīng)用于礦山機(jī)械設(shè)計(jì)和制造，造成我國礦山機(jī)械易磨損件的使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國外先進(jìn)水平。

為了提高礦山機(jī)械的使用壽命，降低機(jī)件的磨損，必須了解摩擦學(xué)原理，運(yùn)用摩擦學(xué)的知識(shí)對(duì)礦山機(jī)械易磨損件進(jìn)行失效分析，掌握磨損類型和原理，然后根據(jù)實(shí)際情況，改進(jìn)設(shè)計(jì)，合理選材，采用合理的抗磨工藝。

1工況條件

挖掘機(jī)斗齒是懸臂梁結(jié)構(gòu)，工作時(shí)靠齒尖插入物料堆中，再轉(zhuǎn)動(dòng)把料裝入鏟斗，斗齒在剛與物料接觸時(shí)有一定沖擊，裝入物料過程中要承受彎矩，整個(gè)在服役過程中發(fā)生磨損。

斗齒的磨損被國內(nèi)外學(xué)者歸于鑿削式磨料磨損一類，實(shí)際上由于斗齒的工況條件差異，挖掘機(jī)型號(hào)不同，斗齒的磨損差別很大，其使用壽命長則數(shù)月，短則只有幾天。大型礦山挖掘機(jī)的工況條件尤為惡劣，斗齒消耗量很大。當(dāng)斗齒接觸礦石時(shí)，有一個(gè)沖擊作用，斗齒插入礦石堆時(shí)，礦石在齒面上滑動(dòng)，礦石的棱角切削或犁削基材表面，這種磨損屬高沖擊，高應(yīng)力滑動(dòng)磨料磨損。礦石越硬，塊度越大，沖擊速度越高，斗齒磨損越快。惡劣的工作條件，不僅要求斗齒應(yīng)具有很高的硬度和耐磨性，還要求在沖擊及懸臂受力下具有不彎曲不折斷的強(qiáng)韌性。

2斗齒磨損失效分析

大型礦山挖掘機(jī)斗齒主要用高錳鋼制造，國外大多數(shù)國家也用高錳鋼制造，也有用合金鋼制造。一般認(rèn)為，高錳鋼只有在強(qiáng)烈沖擊作用下，表面才產(chǎn)生加工硬化層，表現(xiàn)出較高的耐磨性。當(dāng)?shù)V石硬度低，度塊小或者斗齒插入礦石速度不高時(shí)，表面不能產(chǎn)生很強(qiáng)的加工硬化層，這時(shí)，高錳鋼的優(yōu)良耐磨性就表現(xiàn)不出來。

失效斗齒宏觀形貌可以看出，材料與礦石相互作用時(shí)，礦石的棱角在齒面上形成較深的磨溝及斗齒與礦石撞擊形成的撞擊坑。觀察發(fā)現(xiàn)，斗齒表面形成相當(dāng)厚的變形層，而且可以發(fā)現(xiàn)金屬折疊在磨損表面上而發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形層，其組織呈纖維狀。

磨損亞表層形貌可以看出，在磨溝較深的亞表層出現(xiàn)了白亮層，又稱為絕熱剪切層，其硬度高，耐腐蝕性好，但屬于較脆的的薄層。白亮層容易產(chǎn)生裂紋，加速機(jī)件的破壞，所以是不希望得到的組織。

綜上所述，錳鋼高錳鋼斗齒失效主要表現(xiàn)為磨禿，磨溝較深，發(fā)生脆裂掉塊和表面開裂。

抗磨措施

根據(jù)以上分析可知，理想的大型礦山挖掘機(jī)斗齒材料表面應(yīng)具有很高的硬度和耐磨性，基體本身應(yīng)具有很高的強(qiáng)度和韌性。為此，可以通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，合理地選擇材料和采用表面抗磨新工藝，以提高斗齒的使用壽命。

磨損失效受結(jié)構(gòu)的影響很大，包括整機(jī)的結(jié)構(gòu)和零件的結(jié)構(gòu)。關(guān)于零件的形狀尺寸與磨損失效方面的實(shí)例很多，如4立方米電鏟斗齒長期以來壽命一直很低，造成大量鋼材被磨耗，影響了工效，如何提高其耐磨性一直是許多廠礦企業(yè)所關(guān)心的問題。有的改變?cè)俘X形狀，斗齒的上下面挖出一長槽，將這部分金屬放在齒尖部位，加長了斗齒的長度，增加了有效磨損金屬的數(shù)量，改變了礦石與零件表面接觸時(shí)的力流狀況，從而增加了耐磨性。另外，還可以更進(jìn)一步改變?cè)粋€(gè)長槽為若干個(gè)圓孔，這樣既能達(dá)到以上目的，又能改善因開長槽出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

裝在斗輪式挖掘機(jī)斗唇上的斗齒角度和斗齒的形狀對(duì)其使用壽命也有影響，如果斗齒底面與所切割的煤層，礦巖之間的夾角太大，則斗齒工作時(shí)因承受過高的彎曲沖擊應(yīng)力而容易折斷。如果夾角太小，則整個(gè)齒面與磨料相對(duì)運(yùn)動(dòng)而磨損，磨料在齒面劃出長長的磨溝，材料流失多只有在某一精準(zhǔn)角度條件下，斗齒才有一銳利的自磨刃形成，一方面減少設(shè)備的能耗，另一方面也減少其磨損。

對(duì)表面進(jìn)行耐磨堆焊處理高錳鋼或低炭合金鋼本身具有很高的強(qiáng)韌性，用它來作挖掘機(jī)斗齒能滿足強(qiáng)韌性的要求，如果在其表面上再堆焊一層高硬度的耐磨合金層，就可以獲得表面耐磨而又不易折斷的理想斗齒。

優(yōu)化制造工藝合理的設(shè)計(jì)，正確的選材如果沒有恰當(dāng)?shù)纳a(chǎn)工藝，熱處理工藝的保證，也會(huì)使易磨損件早期失效。制造斗齒時(shí)要保證鑄造質(zhì)量和熱處理質(zhì)量，鋼基體與硬塊之間的復(fù)合質(zhì)量，鋼基體與堆焊層的堆焊質(zhì)量等。鑄造工藝中需要注意澆注溫度，開箱時(shí)間，硬塊在鑲鑄部分的容積比及熱處理規(guī)范的正確選擇等，這樣才能使斗齒在保證不發(fā)生斷裂的前提下獲得良好的耐磨性。

分析了斗齒磨損失效的具體原因，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，合理選材和表面處理等措施，可較大幅度提高斗齒的使用壽命。