Защита ковшей горных машин от износа

За последние четверть века карьерная горнодобывающая техника претерпела бурное развитие. В наибольшей степени оно коснулось выемочно-погрузочных машин — одноковшовых гидравлических экскаваторов и колесных фронтальных погрузчиков, применяющихся для разработки скальных пород.

Широкое использование в их конструкции гидравлического привода позволило за прошедший период добиться четырехкратного увеличения производительности этого оборудования на единицу его массы. Если в начале 60-х годов производительность канатной мехлопаты массой 75-85 т, оснащенной ковшом вместимостью 1.0-2.5 м3, составляла не более 125 т/час по крепким породам, то производительность современного гидравлического экскаватора аналогичного весового класса достигает 500 т/час благодаря применению ковша вместимостью до 5.5 м3. 100-процентное повышение вместимости ковша не должно было вызвать пропорциональное увеличение его массы, т.к. рабочий цикл экскаватора должен сокращаться.

С другой стороны, рост производительности привел к повышению нагрузки на рабочие органы машин (в первую очередь — ковшей), в связи с чем возникла потребность в износостойких материалах с целью снижения массы ковшей, а также уменьшения количества ремонтов и, соответственно, простоев оборудования. Например, в случае использования при изготовлении ковшей обычной мелкозернистой стали с пределом текучести 350 МПа (как это практиковалось в начале 60-х годов) четырехкратное увеличение производительности выемочных машин привело бы также к четырехкратному увеличению замен защитных элементов ковшей.

В начале 60-х годов для изготовления режущей кромки ковшей обычно применялись марки стали St 60 твердостью ок. 200 НВ по Бринеллю или Hadfield, называемая также «марганцевистая сталь», обладающая способностью затвердевать под воздействием пластических сил деформации. При очень сильном давлении или деформации поверхность изделия из этой стали твердеет до величины 500 НВ. Широкое использование этого материала в горном деле в 60-х годах ограничивалось из-за низкой его свариваемости.

В те же годы в США начали использовать новую улучшенную сталь марки T1, имевшую твердость от 260 до 320 НВ и обладавшую хорошей свариваемостью. Эту сталь также изготавливали по лицензии в Европе. Недостатком стали Т1 были относительная высокая стоимость изготовления и недостаточная твердость, из-за чего использование землеройных ковшей, изготовленных из стали Т1, было ограниченным.

В конце 70-х годов на мировом рынке появилась более дешевая сталь, получаемая на прокатных станах. Благодаря режиму быстрого остывания достигалась повышенная твердость этой стали — до 400-500 НВ. Свариваемость такой стали также была значительно лучше предшествующих марок.

В настоящее время режущие кромки ковшей гидравлических экскаваторов и погрузчиков изготавливают из современных износостойких марок стали твердостью 400 и 500 НВ. Эти стали имеют уникальные механические свойства — несмотря на высокий предел текучести при растяжении 1000 МПа, ударная вязкость достигает примерно 30 Дж при -40°С. Использование стали данных марок позволяет конструировать более мощные  машины.

По оценкам специалистов компании SSAB наиболее подходящим материалом для производства малых и средних по размерам ковшей является сталь твердостью 400 НВ. Ковши из этой стали отличаются большей легкостью и повышенным рабочим ресурсом.

Обычные режущие кромки у ковшей с зубьями специалисты компании SSAB рекомендуют  изготавливать исключительно из стали твердостью 400 НВ из-за лучшей свариваемости, большей вязкости и низкого риска появления трещин при экстремально низких температурах.

Благодаря высокой вязкости сталь 400 НВ широко используется для изготовления несущих деталей ковша, например, проушин. Некоторые производители даже устройства быстрой смены рабочего оборудования полностью изготавливают из стали 400 НВ.

К преимуществу стали 400 НВ следует отнести ее свойство свариваться при помощи дополнительных материалов, имеющих более низкую прочность (450-500 МПа). Кроме того, при сварке стальных листов толщиной менее 40 мм можно отказаться от подогрева.

Сталь твердостью 500 НВ применяется в основном для изготовления режущих кромок ковшей для зубьев, а также гидродинамических ковшей активного действия. При использовании стали 500 НВ срок износа кромок увеличивается на 20-100%.

Быстроизнашивающиеся полосы, располагающиеся, как правило, вдоль ковша в рабочем направлении, изгибаются  соответственно форме днища ковша. Если изделие из стали 400 НВ еще может быть изогнуто при помощи соответствующих устройств, то сталь 500 НВ для этого не годится. Как показывает практика наименьший износ полос из стали 500 НВ достигается в случае их установки поперек направления погрузки. Кроме того, конструкция ковша с поперечным расположением полос обладает большей жесткостью, а сварные швы лучше защищены. Повышенное сопротивление при копании согласно практическим данным не имеет большого значения. Данная конструкция ковша находит все большее признание.

Днище ковшей в основном по прежнему изготавливают из стали St52-3. Правда некоторые производители начали делать вставки из быстроизнашивающихся полос из стали 500 НВ в днище ковша, изготавливающиеся из более толстого листового металла. В этом случае конструкция днища приобретает большую жесткость, а его ресурс увеличивается.

Особо уязвимые места современных ковшей защищаются с помощью твердого покрытия. Такое покрытие при работе ковшей в крепких породах служит в 2-3 раза дольше, чем сталь 500 НВ. Несмотря на его высокую стоимость, сочетание износоустойчивого листового металла и твердого покрытия является наиболее экономичным решением.

В заключении следует отметить, что современные марки сталей 400 НВ и 500 НВ, использующиеся при изготовлении ковшей горных машин как конструкционный материал и средство защиты от износа, соответствуют самым высоким требованиям сегодняшнего времени. Дальнейшее совершенствование износостойких материалов и появление новых марок износоустойчивых сталей будет оказывать серьезное влияние на развитие горнодобывающей промышленности.

Журнал "Горная Промышленность" №4 1995, стр.24