章立強

（1.中國煤炭科工集團上海有限公司，上海 200030；2.天地科技股份有限公司上海分公司，上海 200030）

全球鋁土礦資源非常豐富，但分布極不均衡，其中幾內(nèi)亞、澳大利亞、巴西三國儲量合計占全球儲量的近60%，中國僅占3%。盡管全球鋁土礦和原鋁產(chǎn)量持續(xù)上升，經(jīng)濟快速發(fā)展的中國目前對鋁土資源需求缺口依然很大。為滿足生產(chǎn)需要，一方面我國不斷大量進口鋁土礦并逐年增大比重；另一方面國內(nèi)也在積極地探尋鋁土礦資源，尤其是對占比量大的地下鋁土礦產(chǎn)資源，著重考慮加強資源開發(fā)，不斷進行開采技術(shù)革新（提高開采效率、增加回收率、降低貧化、促進綠色開采等）［1-5］，以此來降低生產(chǎn)成本、減少進口資源依賴、改善環(huán)保等問題［6-8］。目前地下鋁土礦生產(chǎn)主要根據(jù)不同的礦體賦存條件，采用傳統(tǒng)有色金屬采礦方法［9］，存在的主要問題有：回收率僅有30%～50%，資源損失浪費嚴(yán)重；圍巖破碎不穩(wěn)固，地壓管理困難，作業(yè)人員安全保障程度不高；投入少，勞動生產(chǎn)率低，采礦成本高；單礦塊生產(chǎn)能力低，采切工程量大，巷道、采場維護工作量大。因此，加快鋁土礦地下機械化開采方法研究勢在必行。

借鑒煤礦綜合機械化安全高效開采的優(yōu)勢，采用滾筒式采礦機實現(xiàn)地下鋁土礦開采有助于實現(xiàn)鋁土礦資源安全高效開發(fā)［10］。國內(nèi)鋁企于近年來開始嘗試將煤礦綜采技術(shù)引入地下鋁土礦開采［11-15］，通過對鋁土礦的物理特性（硬度、磨蝕性、黏結(jié)性、密度等）與開采要求（含水率、回收率、貧化率等）的分析，進行了由采煤機向采礦機系統(tǒng)的開采裝備改造［16-18］與采礦方法創(chuàng)新［19-21］。然而在使用過程中，仍然出現(xiàn)了新的問題，如采礦機導(dǎo)向行走裝置的磨損問題等。本研究根據(jù)采礦機實際使用中出現(xiàn)的磨損現(xiàn)象，進行理論與影響因素的的綜合分析，提出改善或解決磨損問題的對策，并進行二次試驗驗證與經(jīng)驗總結(jié)。研究針對高磨蝕性礦料開采裝備特點有利于解決導(dǎo)向行走裝置的磨損問題、提高開采經(jīng)濟性，形成地下鋁土礦連續(xù)機械化系統(tǒng)開采工藝。

1 設(shè)備及磨損

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

地下鋁土礦開采工作面綜采設(shè)備的端面圖如圖1所示。多節(jié)輸送槽連接的輸送機于工作面礦層側(cè)邊平行鋪設(shè)，每節(jié)輸送槽后連接相應(yīng)的支護架平行于礦層排列，采礦機騎跨于輸送機頂部并位于支護架下方；采礦機沿工作面礦壁來回行走切割并裝載礦料，進入輸送槽內(nèi)的礦料由輸送機運輸至端部輸送設(shè)備繼續(xù)運輸遠(yuǎn)離工作面。

軌道座焊接固定于每節(jié)輸送槽上，軌道安裝于軌道座頂部，隨著輸送槽上的多節(jié)軌道單元依次可鋪設(shè)成縱向連續(xù)的軌道，軌道單元設(shè)置有齒與齒槽間隔分布結(jié)構(gòu)；設(shè)置于采礦機內(nèi)由動力驅(qū)動經(jīng)傳動系統(tǒng)并于末端動力輸出的行走輪，可繞其回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；采礦機行走輪輪齒與軌道（單元）齒進行嚙合，實現(xiàn)采礦機沿工作面礦層移動。為了保證嚙合效果，采礦機還設(shè)置有穿套于軌道外的導(dǎo)向滑靴，為行走系統(tǒng)沿軌道前行進行導(dǎo)向，保持行走輪與軌道處于良好的嚙合狀態(tài)（圖2）。

1.2 磨損現(xiàn)象

鋁土礦料中主要構(gòu)成物質(zhì)為Al2O3（俗稱剛玉，是砂輪等耐磨材料的主要成分），開式傳動環(huán)境下其高磨蝕性會使滑動接觸面出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，尤其是高接觸應(yīng)力條件。為此，采礦機研制了具有更大硬化層深度的行走輪與導(dǎo)向滑靴。然而通過實際應(yīng)用檢驗，仍沒有徹底解決行走系統(tǒng)的磨損問題。

行走裝置各零件失效形式如圖3所示。導(dǎo)向滑靴底勾導(dǎo)向面磨損嚴(yán)重，單側(cè)磨損明顯；行走輪齒面磨損，中上部齒面磨損形成了尖齒頂，單側(cè)齒面磨損明顯；軌道（單元）副立板底面磨損嚴(yán)重（磨損深度為5～15 mm），銷齒面壓痕靠上。采礦機移動過程行走部發(fā)出尖銳摩擦噪音，工作面傾角較大時爬坡困難。通過分析零件失效現(xiàn)象可知，實際使用狀態(tài)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出正常嚙合范圍，屬于異常嚙合，行走輪磨至齒尖（嚴(yán)重者齒厚被磨去近1/3），軌道銷齒面壓痕接近頂部小圓弧。

2 原因分析

2.1 理論分析

根據(jù)導(dǎo)向滑靴底勾、行走輪齒頂、軌道單元銷齒以及軌道單元副立板底面的磨損情況，初步判斷行走輪與軌道在嚙合過程中中心距處于增大狀態(tài)。為了判別實際嚙合狀態(tài)，根據(jù)具體嚙合參數(shù)，對增大狀態(tài)下的不同中心距進行嚙合研究，按軌道的最小、最大及固定節(jié)距形成嚙合狀態(tài)（最大、最小節(jié)距出現(xiàn)在軌道連接處），繪制了綜合磨損量達到35 mm、50 mm時最小節(jié)距狀態(tài)的嚙合圖，如圖4所示。

導(dǎo)向滑靴底勾上表面與軌道副立板下表面接觸摩擦磨損形成綜合磨損量，使得行走輪相對軌道上移，形成增大狀態(tài)的嚙合中心距。按0、8、20、35、50 mm增大的嚙合中心距，給出定量嚙合狀態(tài)圖，得到綜合磨損量與齒面嚙合痕跡對照圖，如圖5所示。未及時更換易損件（導(dǎo)向滑靴與軌道單元）致使綜合磨損量超差，從而在過大的嚙合中心距條件下異常嚙合時，嚙合痕跡在行走輪與軌道銷齒面的嚙合位置都偏向齒頂，這一現(xiàn)象與嚙合理論相符，如圖6所示。

通過圖5確認(rèn)零件失效部位（導(dǎo)向滑靴的底勾上表面與軌道副立板下表面）的最惡劣嚙合狀態(tài)基本達到50 mm的綜合磨損量（甚至更大），該異常嚙合狀態(tài)相比正常嚙合狀態(tài)（綜合磨損量0 mm）存在的問題主要有：①導(dǎo)向滑靴底勾接觸面正壓力由行走輪輸出力的25%增大至57%以上，摩擦阻力增加一倍以上，導(dǎo)向滑靴底勾與軌道副立板底接觸面快速磨損失效，磨損速度急劇上升（硬化層磨損后的軟基體接觸，磨損狀態(tài)更加惡化）；②行走輪輸出力在移動方向的理論牽引力由97%減小至82%，變化量達到15%，采煤機爬坡能力大大減弱。異常嚙合狀態(tài)下出現(xiàn)的采礦機行走系統(tǒng)伴隨尖銳刺耳噪音、爬坡困難等問題與理論分析相符。

2.2 影響因素

由上述理論分析可知，導(dǎo)向滑靴底勾上表面、軌道副立板下表面的綜合磨損量過大，會急劇加速嚙合系統(tǒng)零件的失效。針對鋁土礦巖開采環(huán)境，引起快速綜合磨損的因素主要有開采巖石塊度與硬度、導(dǎo)向滑靴底勾上表面與軌道副立板底面處綜合磨損量超差、開采工藝。

2.2.1 開采巖石塊度與硬度的影響

巖塊在軌道齒槽內(nèi)堆積，尤其是兩節(jié)軌道單元接頭（軌道座處）位置的齒槽，碎石下漏空間有限，如圖7（a）所示，巖塊被行走輪破碎后不能完全漏出齒槽，行走系統(tǒng)嚙合過程中軌道副立板底面與導(dǎo)向滑靴底勾上表面則會形成巨大的正壓力并破壞接觸面，綜合磨損后采礦機行走輪呈被迫上抬趨勢。巖石硬度越大，行走輪越難破碎，軌道立板與導(dǎo)向滑靴底勾的受力越大，接觸面刮削效果越明顯，兩者被破壞越嚴(yán)重，壽命越短；主要表現(xiàn)為運行過程中出現(xiàn)尖銳摩擦噪音，軌道單元軟基體很容易被快速刮削出現(xiàn)尺寸超差，導(dǎo)向滑靴雖有較厚耐磨層，但與多節(jié)軌道單元相比，接觸面積有限磨損壽命也短，導(dǎo)致底勾處的綜合磨損量很快超差。

巖塊在軌道側(cè)方堆積壓實后也會使導(dǎo)向滑靴相對于軌道側(cè)轉(zhuǎn)上抬（圖7（b）），促使行走輪上抬并靠上嚙合、底勾有效接觸面收窄（變?yōu)榫€性接觸）。巖塊在軌道下方堆積壓實后更會使機身向礦壁靠移（圖7（b）），導(dǎo)向滑靴副立板接觸受力增大，行走輪齒與軌道齒槽內(nèi)側(cè)面安全間隙減?。ㄔ趯?dǎo)向滑靴底勾處綜合磨損、導(dǎo)向滑靴副立板耐磨層磨損后，效果更明顯；在軌道副立板底面磨損、軌道立面磨損后，即使換上新導(dǎo)向滑靴，也可能會使行走輪齒與軌道齒槽內(nèi)側(cè)面出現(xiàn)刮擦）。實際使用中軌道周邊（包括齒槽、下方與側(cè)方）礦巖堆積情況如圖7（c）所示。

2.2.2 導(dǎo)向滑靴底勾上表面與軌道副立板底面處綜合磨損量超差對嚙合的影響

如前所述，當(dāng)采礦機為了適應(yīng)環(huán)境需要更大的牽引輸出扭矩時（如破碎軌道齒槽巖石、傾角工作面爬坡、截割堅硬礦層等），過大的綜合磨損量使得行走輪相對于軌道嚙合點上移（此時磨損的導(dǎo)向滑靴與軌道已無法保證行走輪與軌道處于正常的嚙合狀態(tài)）。嚙合區(qū)上移后帶來的導(dǎo)向滑靴底勾上表面與軌道副立板下表面間接觸正壓力及摩擦阻力成倍增加，理論牽引力大大降低，接觸面磨損導(dǎo)致使用壽命急劇下降，形成惡性循環(huán)。同時，行走輪與銷齒嚙合點上移，致使行走輪齒頂處磨尖、磨突，軌道齒面、齒頂圧饋、碎裂，出現(xiàn)嚙合沖擊甚至斷齒；導(dǎo)向滑靴與軌道過大的綜合磨損，不僅出現(xiàn)導(dǎo)向滑靴、軌道的加速磨損現(xiàn)象，而且導(dǎo)致行走輪提前失效。

2.2.3 開采工藝對嚙合的影響

由于鋁土礦層呈不規(guī)則分布，因而工作面呈不同的傾角布置，采礦機需要適應(yīng)相應(yīng)的工作面。針對鋁土礦巖的開采，一般采用下行開采，上行掃裝浮料的單向開采工藝，這種情況下導(dǎo)向滑靴等易損零件的磨損有如下特點，以右工作面開采為例，如圖8所示。

采礦機沿工作面下行開采時，軌道齒槽內(nèi)會堆積大量崩落或滾筒甩出的巖塊，右導(dǎo)向滑靴框口對高出軌道頂面的巖塊進行破碎（底勾為懸臂結(jié)構(gòu)，相比頂部其強度與耐磨層更容易被破壞）；同時由于行走輪的破巖作用，承受反作用力的右導(dǎo)向滑靴的底勾將受到更大的擠壓力，更容易使耐磨層碎裂后引起基體快速磨損。該情形下，右導(dǎo)向滑靴的右側(cè)底勾更容易磨損。

采礦機沿工作面上行掃裝浮料時，軌道側(cè)方不易推移的巖塊對左導(dǎo)向滑靴產(chǎn)生阻力，導(dǎo)致左導(dǎo)向滑靴右側(cè)底勾上翹磨損。該情形下，左導(dǎo)向滑靴的右側(cè)底勾更容易磨損。

巖塊致使導(dǎo)向滑靴產(chǎn)生附加受力，在下行開采上行空刀的單向開采工藝中，容易出現(xiàn)左右導(dǎo)向的下側(cè)底勾偏磨，如圖3（a）所示。

3 對策及應(yīng)用效果

3.1 主要對策

（1）改善開采條件。①徹底清理軌道齒槽、側(cè)方、下方的巖塊，盡可能減少其對行走系統(tǒng)的額外受力；②及時清理軌道與導(dǎo)向滑靴接觸面的巖粉（如冷卻水沖淋），減小行走系統(tǒng)滑移接觸面的磨粒磨蝕影響；③必要時可采取巖層弱化工藝（工作面硬巖層松動措施）。

（2）優(yōu)化設(shè)備。①導(dǎo)向滑靴、軌道主要摩擦受力導(dǎo)向面采取進一步的硬化、耐磨處理措施，提高耐磨壽命；②研發(fā)新型行走嚙合系統(tǒng)，如導(dǎo)向滑靴采用分體結(jié)構(gòu)，磨損后只需更換底勾，降低使用成本；行走系統(tǒng)采取潤滑措施，對齒輪、導(dǎo)向滑靴、甚至軌道的相應(yīng)摩擦面進行必要的潤滑，減少磨損，提高使用壽命。

（3）強化維護。①根據(jù)嚙合痕跡示意圖（圖6），快速判斷現(xiàn)場導(dǎo)向滑靴底勾與軌道的綜合磨損狀態(tài)，根據(jù)維護標(biāo)準(zhǔn)及時更換磨損超差零部件，解決影響導(dǎo)向行走裝置的主要問題；②定期檢查導(dǎo)向滑靴與軌道間的其它接觸面磨損量，當(dāng)導(dǎo)向滑靴底勾耐磨面與軌道接觸，頂部總間隙超過20 mm時（理論間隙為8 mm），需要及時更換過度磨損的導(dǎo)向滑靴或軌道；當(dāng)導(dǎo)向滑靴礦壁側(cè)耐磨面與軌道接觸時，軌道與導(dǎo)向滑靴采空側(cè)副立板耐磨面間隙超過22 mm時（理論間隙為10 mm），需要及時更換導(dǎo)向滑靴或軌道。

3.2 應(yīng)用效果

通過分析導(dǎo)向行走裝置磨損的主要影響因素，并采取現(xiàn)場定時清理軌道、加深軌道主要受力面硬化層、定期檢查綜合磨損量及時更換磨損超差零件、采用分體式導(dǎo)向滑靴等多種方法后，進行了地下鋁土礦工作面的進一步試驗。近0.5 a的試驗表明，原有開采方式的導(dǎo)向行走裝置壽命由1個月提高至3個月以上，效果明顯。同時由于采用了分體式導(dǎo)向滑靴，只需更換局部磨損部位而不需整體更換，大大降低了高價值易損件的使用成本，縮短了維護時間。

4 結(jié) 論

（1）減少鋁土礦開采中硬質(zhì)塊狀礦巖對軌道嚙合系統(tǒng)的影響，可大大提高采礦機導(dǎo)向行走裝置的使用壽命，該理念適用于類似結(jié)構(gòu)的所有行走系統(tǒng)，如現(xiàn)有煤礦綜采采煤機開采解放層等硬質(zhì)物料的場合。

（2）改善使用環(huán)境、強化現(xiàn)場維護、優(yōu)化設(shè)備等多方面協(xié)作，有利于降低鋁土礦開采裝備行走裝置磨損的影響。

（3）進一步優(yōu)化方向有：①軌道設(shè)備優(yōu)化，進一步研究軌道結(jié)構(gòu)，解決硬質(zhì)塊料在軌道齒槽中滯留對采礦機行走輪與軌道嚙合造成的影響，尤其是在軌道之間軌道座對齒槽漏料的阻礙問題，這是解決磨損問題的關(guān)鍵；②開采設(shè)備優(yōu)化，進一步優(yōu)化導(dǎo)向行走結(jié)構(gòu)，改善導(dǎo)向滑靴與軌道的受力，減少導(dǎo)向面的磨損，延長使用壽命；③使用環(huán)境改善，進一步研究導(dǎo)向行走裝置的配套結(jié)構(gòu)，分離硬質(zhì)塊狀礦料對嚙合系統(tǒng)的影響，該方向的成果仍可應(yīng)用于現(xiàn)有的采煤設(shè)備。