专题综述

专题综述挖掘机斗齿结构分析与钢结构材料的选用邵玉颖机设二班摘要：磨损是机械产品常见的失效形式，每年给社会带来巨大的经济损失。铲齿是挖掘机上的主要的磨耗件之一，消耗量很大，且每年有相当数量的铲齿需要进口。铲齿的实际工况条件非常恶劣，在接触物料时不仅受到磨损作用，还要承受一定的冲击载荷。因此，研究新型挖掘机铲齿材料，提高铲齿件在工况下的服役寿命，减少因磨损而造成的经济损失，具有极其重要的现实意义。在矿山作业的挖掘机，从提高效率降低成本出发，应尽量延长斗齿、斗唇、斗前壁、提粱、横梁、斗底板等部件的寿命，减少作业中的更换次数。本课题针对矿山、工地使用的挖掘机斗齿进行了研究，探讨了斗齿的失效机理，分析了斗齿的形状、结构与材料。关键字：挖掘机斗齿、失效机制、钢材选用、维护保养正文：铲斗作为为挖掘工具直接与物料接触碰撞工况条件最为恶劣，因此铲斗结构件主体材料全部选用强度级别b780MPa的T1钢、STE690钢、Welten780钢，这类钢是经过调质处理的高强度细晶粒钢，具有较高的强度和良好的低温冲击韧度以及一定的硬度，可以满足铲斗的使用条件。焊接材料选用与钢板材料强度低匹配的低合金钢焊接材料,同样要求熔敷金属低温冲击韧度-40时AKV27J。在铲斗易磨损的部位，设计加贴耐磨衬板(HB=500左右),主要利用其耐磨特性,磨损后便于更换,提高铲本体的寿命.这类耐磨衬板具有较高硬度,同时具有焊接性,焊接材料选用与耐磨钢板强度低匹配的低合金结构焊接材料,局部易磨损的焊缝在低合金结构钢焊接材料施焊的焊缝表面堆焊一层耐磨焊道,提高抗磨能力.以上所述钢板焊接时,焊接材料的选择首先要满足焊接接头强度匹配(等强匹配和低匹配的原则),其次熔敷金属的低温冲击韧度也要符合使用地区最低气温条件的要求,一般要求焊接材料熔敷金属-40时的冲击功AKV27J.此外还应要求焊接材料的工艺性能要好,特别是气体保护焊焊丝的表面镀铜层要均匀牢固,焊丝的挺度要使焊丝均匀连续送进,保持焊缝的连续性尽量减少接头.一、高锰钢表面的硬化条件斗齿使用的工况虽然千变万化。但其撞击用可分为两类：1)在高冲击工况条件下，高锰钢斗齿表面屠幽撞击产生加工硬化，从具有很高的耐磨性。2)在低冲击工况条件下．高锰钢斗齿表面难以产生加工硬化。大冶铁矿生产的C组斗齿，在低撞击力的普通磨料磨损条件下使用．硬化层只有0.8mm厚．挖掘对象如果硬度很低(如黄土)，斗齿表面未受到大的冲击反作用力而得不到硬化．硬度仅HB205当挖掘对象是较薄的原生矿时，斗齿表面可硬化至HB334(Hs58～67)。高锰钢加硬化的机制是由于动态应变时效，C—Mn原子对分布于位错中心、对位错起钉扎作用，使得在一定应变条件下，产生很高的位错密度而提高了硬度。因此在高冲击工况条件下使用高锰钢斗齿较适合。在多数的低冲击磨损工况下，则宜使用低碳马氏体合金钢斗齿。二、斗齿的失效分析(1)在高冲击工况条件下，斗齿磨损是凿削式磨料磨损。当斗齿开始接触岩石时有一个撞击作用，斗齿插入岩石堆时，岩石磨粒在外力的作用下在斗齿金属表面急速运动，岩石磨粒的棱角把金属表面犁削成一条条淘槽。此时斗齿金属是以被切削的形式磨损。再当岩石客料在金属表面相对运动时，对金属表面产生压应力，使沟槽两侧发生塑性变形．并使表面加工硬化产生应力集中，因而可能在局部拉应力下产生微细裂纹。在外力继续作用下．进而裂纹扩展，发生微区断裂，形成金属碎屑剥落而磨损。(2)在低冲击工况条件下，斗齿窘磨损是应变疲劳式磨损。此种工况是磨料磨粒很软(如黄土、石灰石、油页岩等)。当斗齿插入料堆时，磨粒只在斗齿金属面上滑动，切削金属表面作用很小，此时斗齿的磨损主要是长时问的应力和应变在局部的交变疲劳应力作用所致。上述两种磨损过程中，矿岩磨粒与斗齿表面相互作用，斗齿材料表面均发生严重的塑性变形。塑性变形的能量大部分是以热的形式逸散，并使斗齿表面温度升高。磨擦热使斗齿表层和亚表面的强度降低，使斗齿更容易疲劳剥落。三、斗齿磨损外形变化与斗齿的形状结构分析1、斗齿磨损外形变化斗齿磨损外形变化，最后会导致斗齿失效，这对斗齿外形设计和材料选择都提出了要求。斗齿在工作中逐渐磨损剥落引起其外形的变化，而其底面的磨损较快。如上所述，在工作中，斗齿齿尖部分受较大的冲击载荷，两侧面受高应力磨粒犁削磨损底侧面承受的应力从尖端到根部逐渐减弱，磨损量亦相应减少。但在需要进行大量啃根基工作的工况下，斗齿所受冲击载荷甚大如材料韧性不够，则会产生斗齿折断现象。2、斗齿类型(1)整体斗齿整体斗齿笨重，拆换不便，大型斗齿需用起重设备更换。但价格较低，使用仍很普遍。(2)组合斗齿由齿尖和齿座两部分组合而成。齿尖装在齿座前端，齿座连接铲斗的斗唇与齿尖，齿尖和齿座紧密配合。组合斗齿拆换方便，可以通用互换，减少消耗。(3)表面强化处理斗齿斗齿工作面上堆焊硬质舍金，焊层厚约6mm，可提高斗齿寿命30%。表面堆焊硬质合金斗齿，广泛用于斗轮式挖掘机。此外，亦有采用爆破强化来提高斗齿表面初始硬度。(4)电藏重熔斗齿斗轮挖掘机豹小型斗齿，可采用高铬铸铁自耗电极熔铸尖，斗齿寿命可提高7倍。(5)镶铸斗齿可采用高韧性钢镶铸高耐磨铸铁制成整体斗齿，发挥双金属特性，以提高使用寿命。四、各种斗齿材料的选用根据成分和组织，可分为三大类。第一类是高锰钢或合金化高锰钢；第二类是低碳马氏体多元合金刚；第三类是高铬铸铁和高碳马氏体钢。1、高锰钢和合金化高锰钢(1)高锰钢ZGMn13适当提高含碳量，控制Mn／C=9．5。以形成可溶性碳化物，可提高斗齿的原始硬度。将P含量控制在0.060%以下，以防止形成磷共晶而增加材料的脆性。(2)台钼，钛高锰钢ZGMnl2Mo2Ti添加Mo、Ti等碳化物形成元素的ZGMnI2Mo2Ti材质斗齿，通过弥散硬化热处理，与碳形成豫散分布的细小碳化物，以阻碍晶粒滑移的位错运动，从而提高了高锰钢的加工硬化能力。2、低碳马氏体多元铸钢低碳马氏体钢Cr—Mn—Mo系铸钢，如35Cr2MnSiMoV，32Cr2MnMoV。由于低碳马氏体铜有较高的强度和硬度及较好的低温冲击韧性，更适于制造组合斗齿、复合斗齿。因而应用范围逐渐扩大。3、高铬铸铁高锰钢在l050℃水韧处理后，其加工硬化硬度不如高铬铸铁；但韧性比高铬铸铁好，个别的最佳韧性可达3oJ／cm，但这时的高铬铸铁基体组织必须是细小针状马氏体+残余奥氏体，莱氏体组织纤细，碳化物为均匀分散细小粒状碳化物。高铬铸铁多用在镶铸斗齿和斗轮挖掘机斗齿端部。综上:(1)高锰钢斗齿适用于高冲击载荷下的凿削磨料磨损工况；多元低合金钢斗齿适用低冲击荷载下的应变疲劳末了磨损工况。(2)齿尖侧面为弧形，齿尖角在25～30度的齿外形结构较为合理。(3)4m³以下的小型挖掘机斗齿以合金化高锰钢整体斗齿较经济适用，l0m³以上大型电铲斗齿以低碳马氏体多元铸钢的组合斗齿和镶有高铬铸铁的镶铸整体齿寿命较好斗轮挖掘机的多片式小年齿，．则以20Mn钢表面堆焊硬质合金和高铬铸铁电渣熔铸垢尖者较好。参考文献1、黄会荣，建筑机械钢结构，中国建材出版社，2006