矿山大型挖掘机斗齿磨损失效分析

刘 伟

（同煤集团机关事务处信息化管理科，山西 大同 037003）

引言

随着机械作业的不断发展，大型挖掘机的斗齿磨损失效现象在矿山中表现的越来越严重，极大地影响了挖掘机在矿山中的挖掘效率，增加了工程项目的成本输出率，因此加强挖掘机在斗齿磨损方面的有效控制，是目前机械保养人员工作的关键［1］。

1 矿山大型挖掘机在挖掘中的斗齿磨损概况

1.1 矿山大型挖掘机材料

在进行矿山的挖掘时，挖掘机的斗齿材料通常使用高锰钢进行制造，但是由于在矿山挖掘作业中，地理环境恶劣，挖掘机经常要对坚硬的矿石进行挖掘，这就加速了挖掘机斗齿磨损的速度，使得斗齿出现磨秃，进而出现斗齿失效现象，严重时，甚至发生断裂现象。根据相关资料显示，我国正在进行正常作业的大型矿山挖掘机大约有2 000～2 500台，斗齿磨损带来的经济损失大约在3 000万元／年。

斗齿材料可以分为两种，第一种是低合金抗磨斗齿，材料成分如表1所示。从表格中可以看出其含碳量较少，因此斗齿的抗磨能力还不够理

表1 低合金抗磨斗齿材料成分 %

想。而第二种材料是高硅强韧抗磨斗齿，虽然具有较强的韧性但是抗磨性不足。以上材料都具有局限性，而复合材料的斗齿主要选择低合金白口铁、高咯铸铁等抗磨性较好的材料，具有较好的实用价值。

1.2 挖掘机工艺设计

目前，我国的矿山大型挖掘机在设计上还不够完善，由于受到传统设计模式的影响，在摩擦力的深入设计方面并不成熟，还无法将先进的抗磨技术引入到挖掘机的应用之中。其中工艺上的不合理主要表现在以下几个方面：一是选材的不合理，导致斗齿抗磨能力较低；二是悬臂结构设计的不合理，没有从摩擦学的原理进行入手，根据矿山的实际地形，有针对性地做出相应的设计；三是对斗齿的韧性没有做出具体的分析，导致斗齿磨损失效。

2 矿山大型挖掘机在挖掘中的斗齿磨损分析

2.1 斗齿磨损中作用力的分析

挖掘机的斗齿是进行挖掘的关键，斗齿尖在进行尖插入物以及涂料的推移中有着不可忽略的作用，因此斗齿的磨损程度将直接决定施工的质量以及施工的效率。在使用斗齿对矿山岩石进行挖掘时，需要注意以下几点：第一，由于力的作用是相互的，必然会有反冲力出现，这就会对斗齿造成一定程度的磨损；第二，在进行物料的装载过程中，必然要承受一定的弯矩，从而在挖掘作业过程中出现受损情况；第三，由于单位面积内齿尖承受的摩擦力越大，越容易受到磨损，因此要对齿尖的尖度作出改进。

2.2 斗齿磨损中材料的分析

在进行斗齿磨损失效的研究中，首先应当对其材料进行全面的分析。我国目前大多数矿山大型挖掘机斗齿所使用的制造材料为高锰钢。在一些特殊情况下，偶尔会使用精钢进行制造，根据相关数据显示，高猛耐磨钢在设计参数上有着较为严格的要求，其w（c）大约在0.9%～1.3%之间，w（Mn）大约在11%～14%之间。通常情况下，高锰在力的相互作用下，表面会逐渐产生明显的硬化层，从而提高抗磨性能；而一些硬度较低的岩石，其整体性不够强，很难形成硬化层。在这种情况下，高锰材料的硬化特性就很难发挥出来，因此要对材料进行合理的选择。

2.3 斗齿磨损中表面的分析

一般情况下，斗齿制造材料与矿石会相互作用，因此在挖掘过程中，矿石的棱角必然会在斗齿的尖部相互摩擦，从而形成撞击坑。长此以往，斗齿表面会形成变形层，其中金属折叠性质的磨损变形层，是磨损程度较为严重的一种。对其磨损亚表层进行分析可知，磨损的现象通常在磨沟较深的表层出现，表现为亮白组织。该亮白层对斗齿机件有较大的破坏作用，使绝热剪切层很容易出现塑性失稳等现象，从而导致金属表面层的温度不断升高，使得钢性材料逐渐软化，加速斗齿的变形，如图1斗齿磨损图。

3 矿山大型挖掘机在挖掘中的斗齿抗磨措施

3.1 斗齿设计材料上的改进

在进行大型挖掘机斗齿的抗磨措施上，可以从材料选择上进行相应的改变和突破。因为挖掘机要适应矿山的挖掘需求，因此斗齿的材料在硬度上要求很高，同时还要有较强的抗磨性。因此材料本身应当具有较好的韧性。

图1 斗齿磨损

在进行斗齿的设计过程中，斗齿表面的相对滑度应当尽可能的保持在相对较快的速度，材料也应当具备高强度的性能。在工艺设计上通常采用两种复合材料来进行材料性能的改造［3］。使用高锰钢以及合金钢两种材料来进行复合，能极大程度的保证斗齿的硬度以及韧性，提高材料的抗磨能力，增加挖掘机的使用寿命。

3.2 斗齿耐磨抗旱处理

由于高锰与合金钢的复合材料具有较强的韧性，因此可以在表面进行堆焊硬度十分强的耐磨合金，使斗齿的表面强度大幅度提高，从而获得较为理想的斗齿。因在抗旱处理过程中具有较强的原则性，在材料上应当选择硬度高、耐磨性好的堆焊合金。如果矿山岩石强度不高，可以选择奥氏体锰钢堆焊合金。根据相关研究发现，高饹铭铸铁合金相对于高锰钢材料，具有更强的耐磨性，在进行新斗齿的制造以及旧斗齿的修复时，都是使用高饹铁合金或者是马氏体铸铁合金。在进行修复处理时，可以对旧斗齿齿尖进行乙炔火焰的齐切，用留下一定的坡口，然后使用奥氏体钢锰焊条对原形态做出相应的处理，最后对表面进行堆焊处理，提高矿山大型挖掘机的抗磨能力。

3.3 斗齿工艺结构的优化

斗齿磨损失效的很多原因是工艺结构的设计不合理造成的，尤其是在整体结构和零件结构方面表现的尤为突出。例如，4m3的电铲斗齿在长期的挖掘中很容易受损，使用寿命也较为低下，严重影响了施工的效率，因此要提高斗齿的抗磨能力，就要从其原形态进行改变。在整体结构方面，可以在斗齿的下部挖出一个长槽，然后在适当的部位放上金属，增加斗齿的长度。不但能够增加其金属磨损的有效数量，也改变了矿石与零件之间接触时力流，有效提高了其抗磨的程度。在零件结构方面，可以将长槽改变为圆孔，不仅能够达到抗磨的效果，还能改善应力集中的现象。合理设计斗唇斗齿以及斗齿角度，如果斗齿角度过大则会增加其弯曲冲击应力，从而造成斗齿的折断。如果斗齿夹角过小则会引起斗齿与磨面的相对运动，从而导致磨损失效。因此在设计时，应当根据挖掘机操作的地域进行相应的设计，将其角度调整到最佳，既能减少设备的能耗，也能减少斗齿磨损。要对有磨损润滑以及无磨损润滑进行全面的设计，同时要针对力的作用以及力流方向的相互改善作出结构上的改进。图2为改进前后工艺设计对比图。

改进后的斗齿力矩变长，而齿尖的尖度变平，这样就能减少单位面积内齿尖所承受的摩擦力以及压力，从根本上解决斗齿磨损失效的问题。

4 结语

矿山大型挖掘机在使用中容易受到磨损，这是很难避免的，但是设计者可以采取相应的措施来不断改善其受磨损的程度，增加使用寿命，提高运行效率。在改善时，设计者应当从实际情况出发，对其结构、材料都要做出相应变化，以此来提高其抗磨性，必要时可以对其表面进行抗旱处理。同时设计者应当合理选材，做好表面处理，不断提高矿山大型挖掘机斗齿的抗磨能力。

图2 改进前后工艺设计对比（mm）

［1］ 郭红，刘英，李卫，等.挖掘机斗齿的磨损机制与选材研究［J］.材料导报，2014（7）：99－103.

［2］ 杨烈，李奇林.挖掘机斗齿结构改进及分析［J］.工程机械，2010，41（12）：12－19.

［3］ 周志丹，陈烜，刘金龙，等.提高挖掘机斗齿寿命的研究现状和发展［J］.煤矿机械，2011，32（3）：120－156.