煤矿用掘进机耐磨材料的研究与应用

煤矿用掘进机耐磨材料的研究与应用

王坤玉

山东同顺矿山设备有限责任公司 山东 泰安 271612

摘要：掘进机是煤矿生产中的关键设备之一，其耐磨性能直接影响着设备的运行效率和寿命。因此，研究和应用煤矿用掘进机耐磨材料对于提高煤矿生产效率和降低生产成本具有重要意义。本文总结了目前煤矿用掘进机耐磨材料的研究现状和发展趋势，介绍了研究方法和技术路线，包括材料选择、制备工艺、性能测试等方面，最后，通过数据分析和实验结果，探讨了不同耐磨材料的性能差异和适用条件，为煤矿用掘进机耐磨材料的选择和应用提供了理论支持和实验依据。

关键词：煤矿用掘进机；耐磨材料；研究现状；性能测试；应用

引言

煤炭是我国重要的能源资源之一，在煤矿开采过程中，掘进机作为关键设备发挥着重要作用。然而，由于煤矿井下恶劣的工作环境，掘进机面临着严重的磨损问题，这不仅影响设备的使用寿命，还增加了维护成本，甚至可能影响煤矿的安全生产。因此，深入研究耐磨材料，旨在提高掘进机关键部件的耐磨性能，使其能够在恶劣环境中长时间稳定运行。这对于提升煤矿开采效率、保障作业安全具有至关重要的意义。

一、掘进机耐磨材料的种类和特性

1. 高速钢

高速钢是一种具有出色硬度、强度和耐磨性的钢材。它的高硬度和强度使其能够适应各种顶板和煤岩的掘进作业，特别是在高强度和高冲击力的环境下表现出色。

2. 硬质合金

硬质合金是由钨、钴、镍等元素组成的复合材料，其硬度极高，抗压和耐磨性能优越。这种材料通常用作钻头的基材，因其出色的耐磨性和切削能力，能够在高负荷和高速度的工作环境下保持较长的使用寿命。

3. 钛合金

钛合金以其高强度和优异的耐蚀性而著称。在掘进机钻头中使用钛合金可以显著提高磨损和切削性能，同时减少对环境的影响。钛合金的轻质特性也有助于减轻设备整体重量，提高机动性。

4. 耐磨钢板

耐磨钢板是在普通钢板的基础上经过特殊处理，如表面淬火、渗碳淬火或氰化淬火等，以提高其表面硬度和耐磨性。这种钢板在矿山、建筑和化工等行业中广泛应用，特别是在掘进机的关键部位，如切割环、刮板等，能够有效抵抗磨损和冲击。

二、耐磨材料在掘进机上的应用

1.切割部件

截齿是掘进机进行切割工作的直接工具，承受着巨大的冲击和磨损。因此，截齿的制造材料需要具备极高的耐磨性和强度。常用的耐磨材料包括硬质合金、陶瓷和特殊合金钢等。这些材料能够承受高温、高压和高速磨损，显著提高截齿的使用寿命。

切割滚筒是掘进机的主要工作部件，负责驱动截齿进行切割。切割滚筒的表面常常采用耐磨涂层或耐磨钢板，以减少磨损和摩擦，提高切割效率和使用寿命。

2. 输送机部件

掘进机中的输送机负责将切割下来的物料运输到指定位置。中部槽和刮板是与物料直接接触的部分，因此容易受到磨损。这些部件通常采用高强度耐磨钢板或复合材料制造，以提高其耐磨性和使用寿命。

3. 行走部件

掘进机的履带板是行走机构的关键部件，承受着整机的重量和行走时的摩擦。为了提高履带板的耐磨性和使用寿命，通常采用耐磨铸铁或高强度耐磨钢等材料进行制造。

除了上述主要部件外，掘进机的其他关键部件如轴承、齿轮等也广泛应用了耐磨材料。这些部件的耐磨性对于保证掘进机的平稳运行和减少故障至关重要。

三、耐磨材料的性能评估与优化

评估耐磨材料的性能通常涉及多个方面，如磨损试验、摩擦系数测试、硬度测试等，以量化材料在实际工作环境下的耐磨性、摩擦性能以及抵抗外力的能力。这些测试方法提供了关于材料性能的基础数据，为进一步的优化提供了依据。

在性能优化方面，常用的方法包括表面处理工艺、表面涂层技术、润滑和冷却措施以及材料选择等。通过化学处理、机械处理或热处理等方法，可以改善材料表面的耐磨性能。同时，应用表面涂层技术可以在材料表面形成一层保护膜，减少磨损和腐蚀。此外，加强润滑和冷却措施也可以有效降低摩擦系数和磨损程度。

在优化过程中，还需要考虑材料选择的合适性。不同的工作环境和应用场景需要选择具有不同特性的耐磨材料。例如，对于承受高冲击和磨损的部件，可以选择具有高硬度和耐磨性的材料。

四、煤矿用掘进机耐磨材料的研究进展

1. 新材料开发

（1）陶瓷复合材料

陶瓷材料因其高硬度、低磨损率和良好的化学稳定性在耐磨材料领域备受关注。特别是，氧化铝、氮化硅和碳化硅等高性能陶瓷，因其出色的耐磨性和抗冲击性，成为煤矿用掘进机耐磨材料的理想选择。然而，陶瓷材料通常具有脆性较大的缺点，可以通过引入增韧剂、设计复合结构等方法来改善陶瓷的韧性，从而提高其在实际应用中的可靠性。

（2）纳米复合材料

纳米复合材料是近年来兴起的一类新型材料，通过纳米尺度上的复合，可以显著提高材料的综合性能。在煤矿用掘进机耐磨材料方面，纳米复合材料展现出巨大的潜力。例如，纳米颗粒的引入可以细化材料的晶粒结构，提高材料的硬度和耐磨性；同时，纳米复合材料还可以实现多种性能的协同增强，如强度、韧性和耐磨性的同时提升。

（3）新型合金材料

合金材料通过调整元素组成和微观结构，可以获得优异的力学性能和耐磨性能。在煤矿用掘进机耐磨材料领域，研究者们开发出了一系列新型合金材料，如高强度耐磨合金钢、钴基和镍基合金等。这些合金材料不仅具有优异的耐磨性和抗冲击性，还具备良好的加工性能和可焊性，为掘进机的制造和维护提供了更多选择。

（4）涂层技术

除了开发新型耐磨材料外，涂层技术也是提高掘进机耐磨性能的重要手段。通过在基材表面涂覆一层耐磨性能优异的涂层材料，可以显著提高基材的耐磨性和使用寿命。目前，常见的涂层材料包括硬质合金、陶瓷和聚合物等。

2. 表面处理技术

表面处理技术是提高煤矿用掘进机耐磨材料性能的重要手段。通过喷涂、电镀、化学气相沉积等方法，可以在材料表面形成一层保护膜，以提高其耐磨性、耐腐蚀性和抗冲击性。这些表面处理技术可以有效延长掘进机耐磨材料的使用寿命，减少设备维护和更换的频率，降低生产成本。除了上述技术外，还有蚀刻、喷涂等表面处理技术也被广泛应用于煤矿用掘进机耐磨材料的制备中。这些技术各有特点，可以根据具体需求选择合适的技术进行处理。

3. 材料复合技术

材料复合技术是将不同性能的材料进行复合，以形成具有优异综合性能的新型复合材料。通过合理的材料选择和复合工艺设计，可以充分发挥各种材料的优点，弥补单一材料的不足。通过材料复合技术，可以将高硬度、高耐磨性的材料与韧性好、强度高的材料结合在一起，从而制备出既具有高强度又具有高耐磨性的复合材料。这种复合材料能够有效抵抗掘进机在工作过程中受到的磨损和冲击，延长掘进机的使用寿命。还可以通过不同材料之间的相互作用和协同效应，提高复合材料的综合性能。例如，将纳米材料与传统材料复合，可以利用纳米材料的特殊性能改善传统材料的性能，如提高强度、硬度、耐磨性等。这种协同效应可以使复合材料具有更广泛的应用前景。

4. 理论研究和模拟仿真

理论研究和模拟仿真在煤矿用掘进机耐磨材料研究中发挥着重要作用。通过建立相关的数学模型和仿真平台，可以预测材料在不同工作环境下的耐磨性能和服役寿命。通过理论研究，可以深入了解掘进机在工作过程中材料的磨损机制。这包括分析截齿与煤岩之间的相互作用，以及不同材料在高压、高剪应力和冲击负荷下的行为。有助于识别导致材料磨损的关键因素，并为新材料的设计和开发提供指导。模拟仿真技术还可以用于预测不同材料在特定工作环境下的耐磨性能。通过建立数学模型和仿真平台，可以模拟材料的磨损过程，并评估其在使用寿命、耐磨性和可靠性方面的表现。有助于在材料开发阶段进行早期筛选和优化，减少实验成本和时间。

结束语：

煤矿用掘进机耐磨材料的研究与应用是一个持续发展的领域，随着科技的不断进步和工程需求的日益增长，其重要性和紧迫性日益凸显。通过深入的理论研究、模拟仿真以及新材料开发，已经取得了一系列显著的成果，为煤矿用掘进机的耐磨性能提升做出了积极贡献。耐磨材料的研发与应用仍然面临着诸多挑战和机遇，需要进一步加强跨学科合作，整合国内外的研究力量，推动耐磨材料技术的创新与发展。

参考文献：

［1］王建.岩巷掘进机胶带输送机研究［J］.煤矿机械，2018,34（4）：184-185.

［2］黄伟. 耐火耐磨材料的磨损与对策.建筑科学,2023-10.