國內(nèi)煤機(jī)裝備關(guān)鍵零部件對外依存度較高，開展煤機(jī)裝備高性能再制造工藝以及工程應(yīng)用等體系化布局是解決制約我國綠色、智能開采發(fā)展的問題關(guān)鍵。尺寸恢復(fù)和性能提升是我國特有的再制造技術(shù)模式，利用先進(jìn)的表面工程技術(shù)將失效零部件進(jìn)行再制造修復(fù)，節(jié)約資源、減少環(huán)境污染和廢物處理，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)及社會效益。

文章來源：《智能礦山》2025年第5期“視角·觀點(diǎn)”欄目

作者簡介：程延海，二級教授，博士研究生導(dǎo)師，現(xiàn)任中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)械制造系主任，極端裝備制造與成形聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任，主要從事智能礦山裝備設(shè)計(jì)與制造、激光表面再制造方面的相關(guān)研究工作。E-mail：chyh1007@cumt.edu.cn

作者單位：中國礦業(yè)大學(xué)

引用格式：程延海. 煤機(jī)裝備關(guān)鍵部件再制造的工程實(shí)踐與思考[J]. 智能礦山，2025，6(4)：8-15.

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煤機(jī)裝備關(guān)鍵部件種類繁多，煤機(jī)裝備關(guān)鍵部件再制造發(fā)展呈需求多元化和工況復(fù)雜化趨勢，外形方面包括截齒、滾刀等非規(guī)則表面，也包括立柱等圓柱形件規(guī)則表面；性能方面要求耐磨、耐蝕、耐高溫、耐沖擊等性能。因此，對于煤機(jī)關(guān)鍵部件再制造需要依據(jù)本體材料及不同服役工況進(jìn)行再制造工藝方法設(shè)計(jì)，選擇合適的再制造裝備。

截齒再制造及應(yīng)用

截齒分布在采煤機(jī)截割頭及掘進(jìn)機(jī)滾筒，是掘進(jìn)機(jī)/采煤機(jī)的重要關(guān)鍵部件，截齒、采煤機(jī)截割頭及掘進(jìn)機(jī)滾筒如圖1所示。在地下嚴(yán)苛的服役環(huán)境下，需具有超強(qiáng)承載、耐磨、耐蝕、耐熱、超輕量化和高可靠性等特性。受材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝等多重因素的影響，在材料-結(jié)構(gòu)-再制造工藝方面存在嚴(yán)重的不匹配性。主要表現(xiàn)為3個(gè)方面。

（1）材料分布和多尺度結(jié)構(gòu)特征對構(gòu)件性能的影響規(guī)律復(fù)雜，導(dǎo)致截齒材料與結(jié)構(gòu)匹配的性能設(shè)計(jì)困難。

（2）受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和再制造工藝約束，復(fù)雜構(gòu)件整體再制造困難。

（3）缺乏構(gòu)件精確成形的調(diào)控方法，造成高性能再制造難以成形。

截齒失效形式主要為合金頭磨損、合金頭脫落、合金頭碎裂以及齒身彎曲和折斷。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截齒由于磨損發(fā)生失效總體失效占比約70%，其中，由于截齒齒體磨損造成失效接近50%，因此提高截齒耐磨性能，尤其是齒體耐磨性能以及截齒抗沖擊性等綜合性能，保證截割機(jī)構(gòu)工作穩(wěn)定性，提高煤礦開采效率和降低成本至關(guān)重要。

圖1 截齒、采煤機(jī)截割頭及掘進(jìn)機(jī)滾筒

1.1 傳統(tǒng)堆焊再制造截齒技術(shù)

截齒再制造經(jīng)歷了不同階段。早期截齒主要采用傳統(tǒng)焊接方法進(jìn)行再制造，此階段技術(shù)相對簡單，主要局部補(bǔ)焊截齒表面磨損以延長截齒使用壽命，但焊接熱輸入大，難以恢復(fù)截齒最初形狀及性能。隨著焊接技術(shù)的進(jìn)步，在焊縫中加入碳化鎢等陶瓷增強(qiáng)相方法，提高截齒使用壽命，碳化鎢合金顆粒堆焊再制造截齒如圖2所示。

圖2 碳化鎢合金顆粒堆焊再制造截齒

等離子弧焊技術(shù)在截齒再制造中也得到一定應(yīng)用，利用高溫等離子弧進(jìn)行表面堆焊修復(fù)，控制修復(fù)材料與基體結(jié)合強(qiáng)度，通過該技術(shù)修復(fù)截齒，提高抗沖擊和耐磨性能，適用于高強(qiáng)度工作的掘進(jìn)設(shè)備，等離子弧焊再制造截齒如圖3所示。

圖3 等離子弧焊再制造截齒

1.2 熱噴涂再制造截齒技術(shù)

噴涂技術(shù)通過噴槍或碟式霧化器等專業(yè)設(shè)備，利用壓力或離心力將涂料分散成微細(xì)霧滴或顆粒，噴射沉積到工件表面形成均勻、連續(xù)的涂層。隨著表面工程技術(shù)的發(fā)展，熱噴涂技術(shù)在截齒再制造中得到應(yīng)用，通過噴涂硬質(zhì)合金材料，截齒表面耐磨性和抗腐蝕性顯著提升；但由于熱噴涂過程中涂層與基體為機(jī)械結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度相對較低，在后續(xù)的生產(chǎn)中未能得到廣泛推廣，熱噴涂再制造截齒如圖4所示。

圖4 熱噴涂再制造截齒

激光熔覆再制造截齒技術(shù)

激光熔覆通過在基體表面添加熔覆材料，利用高能量密度激光束，使熔覆材料與基體表面一起熔凝在基體表面的快速凝固方法，形成與基材具有完全不同成分和性能的合金層。20世紀(jì)90年代，激光熔覆技術(shù)逐步進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用，特別是在修復(fù)和強(qiáng)化高價(jià)值零部件方面。與熱噴涂相比，激光熔覆具有更高的結(jié)合強(qiáng)度和更精準(zhǔn)的控制能力。通過激光熔覆在截齒表面形成致密且硬度高的熔覆層，提高了截齒耐磨性和抗沖擊性能。該技術(shù)在煤礦截齒修復(fù)中逐漸被采用，并隨著激光熔覆設(shè)備的發(fā)展，修復(fù)成本不斷降低而得到廣泛推廣，經(jīng)激光熔覆再制造的截齒，表面硬度高、耐磨和抗沖擊性能好，能很好地保護(hù)硬質(zhì)合金頭，滿足長期承受各種磨損和介質(zhì)腐蝕，提高了截齒服役時(shí)間，激光熔覆再制造截齒如圖5所示。

圖5 激光熔覆再制造截齒

液壓支架立柱表面再制造及應(yīng)用

液壓支架是煤炭開采中重要的支護(hù)設(shè)備，立柱是連接頂梁和底座的關(guān)鍵部件，承受頂板載荷并釋放壓力，受到煤礦井下惡劣工作環(huán)境的影響，液壓支架立柱在使用過程中易出現(xiàn)不同程度的損傷，表面磨損比較嚴(yán)重加之不同程度的腐蝕，直接影響液壓支架立柱和缸筒密封性、支撐力減弱，縮短了液壓支架的使用壽命，基于此，開展了多種液壓支架立柱再制造技術(shù)，液壓支架立柱腐蝕、磨損失效如圖6所示。

圖6 液壓支架立柱的腐蝕、磨損失效

3.1 電鍍表面防護(hù)再制造立柱技術(shù)

早期液壓支架立柱普遍采用電鍍技術(shù)進(jìn)行表面防護(hù)，如圖7所示。該技術(shù)發(fā)展相對成熟，電鍍技術(shù)表面處理光潔度、鍍層硬度高，在干摩擦條件下摩擦因數(shù)最低，且耐磨性更好。但電鍍工藝沉積速率較慢，一般約為25 μm/h，當(dāng)涂層厚度高于0.2~0.4 mm時(shí)，電鍍效率會受到一定限制，電鍍液覆蓋能力和分散能力表現(xiàn)較差，采用象形陽極以及輔助陰極等方式，無法實(shí)現(xiàn)電力線的均勻分布。

圖7 電鍍表面防護(hù)再制造立柱

我國煤炭資源部分區(qū)域井下環(huán)境中富含C^l-、S^2-等強(qiáng)腐蝕離子，加之高粉塵、強(qiáng)磨損工況，降低了液壓支架立柱的服役壽命；采礦過程中飛濺顆粒也對鍍層表面產(chǎn)生劃痕，加劇了鍍層腐蝕損壞。電鍍過程中產(chǎn)生鉻霧及含鉻廢水，環(huán)境污染嚴(yán)重，也會對人體產(chǎn)生損害；鍍鉻產(chǎn)品若未能有效回收，對環(huán)境產(chǎn)生二次污染，致使電鍍技術(shù)逐漸退出液壓支架立柱的表面防護(hù)處理。

3.2 化學(xué)鍍表面防護(hù)再制造立柱技術(shù)

化學(xué)鍍是指在沒有外電流通過的情況下，依靠化學(xué)反應(yīng)使溶液中的還原劑被氧化釋放自由電子，把金屬離子還原為金屬原子并沉積在基體表面，形成鍍層的表面加工方法?；瘜W(xué)鍍突出特點(diǎn)為鍍層分散能力好，無明顯的邊緣效應(yīng)，不受工件復(fù)雜外形限制，鍍層厚度均勻?；瘜W(xué)鍍具有良好的化學(xué)、力學(xué)和磁學(xué)性能，晶粒細(xì)、無孔、耐蝕性好?；瘜W(xué)鍍工藝設(shè)備簡單，無需電源、輸出系統(tǒng)及輔助電極，操作時(shí)只需把工件正確懸掛在鍍液中即可，但化學(xué)鍍?nèi)芤悍€(wěn)定性較差，壽命短，成本高，易受酸堿和溫度影響，化學(xué)鍍表面防護(hù)再制造立柱如圖8所示。

圖8 化學(xué)鍍表面防護(hù)再制造立柱

21世紀(jì)10年代，化學(xué)鍍在處理液壓支架立柱表面曾在部分企業(yè)得到廣泛應(yīng)用，與電鍍技術(shù)類似，環(huán)保壓力使得化學(xué)鍍技術(shù)也未能在液壓支架立柱表面防護(hù)處理得到進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

3.3 熱噴涂表面防護(hù)再制造立柱技術(shù)

熱噴涂再制造技術(shù)在立柱表面得到一定程度的應(yīng)用，如圖9所示。高速電弧噴涂是再制造立柱應(yīng)用效果較好的熱噴涂方法，以電弧為熱源，將熔化的金屬絲用高速氣流霧化，并以高速噴射到工件表面形成涂層，如圖10所示。高速電弧噴涂賦予工件表面優(yōu)異的耐磨、防腐、防滑、耐高溫等性能，在立柱修復(fù)和再制造領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

圖9 熱噴涂表面再制造立柱

圖10 高速電弧噴涂

進(jìn)一步發(fā)展的高速射流電弧噴涂是利用新型拉瓦爾噴管設(shè)計(jì)和改進(jìn)噴涂槍，采用高壓空氣流作霧化氣流，加速熔滴脫離，熔滴加速度增加并提高電弧的穩(wěn)定性。新型高速射流電弧噴涂的優(yōu)點(diǎn)包括3個(gè)方面。

（1）熔滴速度顯著提高，霧化效果明顯改善。在距噴涂槍噴嘴軸向80 mm范圍內(nèi)氣流速度>600 m/s，而普通電弧噴涂槍僅為200～375 m/s，最高熔滴速度為350 m/s。熔滴平均直徑為普通噴涂槍霧化粒子的1/3～1/8。

（2）涂層結(jié)合強(qiáng)度顯著提高。高速電弧噴涂耐磨用3Cr13涂層的結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到43 MPa，是普通電弧噴涂層的1.5倍。

（3）涂層孔隙率低。高速電弧噴涂3Cr13涂層的孔隙率<2%，而相應(yīng)的普通電弧噴涂層的孔隙率>5%。

3.4 激光熔覆表面防護(hù)再制造立柱技術(shù)

激光熔覆表面強(qiáng)化技術(shù)在液壓支架立柱的應(yīng)用是煤機(jī)裝備領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)。通過規(guī)范的激光熔覆修復(fù)立柱表面，使立柱使用壽命相對于原電鍍修復(fù)工藝大幅延長，使用性能也高于電鍍修復(fù)立柱性能，激光熔覆修復(fù)工藝所有過程不產(chǎn)生污染環(huán)境廢水。相對傳統(tǒng)的焊絲/條表面堆焊、電鍍、等離子熔覆技術(shù)等金屬材料表面改性技術(shù)，激光熔覆技術(shù)具有無污染、熱轉(zhuǎn)換效率高、消耗能量少，工件不變形等優(yōu)點(diǎn)。

激光熔覆加工在液壓支架再制造過程中技術(shù)成熟，取得了良好的效果，但熔覆所用金屬粉末價(jià)格相對昂貴，激光熔覆較電鍍成本略高，因表面粗糙度較大，在后續(xù)加工中需要去除量較多，且熔覆金屬硬度大，后期加工難度大。因此，由于生產(chǎn)效率及成本等因素，激光熔覆表面防護(hù)再制造立柱技術(shù)仍未得到廣泛推廣，激光熔覆表面再制造立柱如圖11所示。

圖11 激光熔覆表面再制造立柱

3.5 高速激光熔覆表面防護(hù)再制造立柱技術(shù)

高速激光熔覆技術(shù)原理如圖12所示，高速激光熔覆以高激光能量密度迅速熔化粉體材料并凝固實(shí)現(xiàn)防護(hù)涂層的制備，且涂層與基材能夠形成冶金結(jié)合，是液壓支架立柱表面再制造的優(yōu)選技術(shù)。

圖12 激光熔覆與高速激光熔覆比較

高速激光熔覆與常規(guī)激光熔覆技術(shù)不同，其粉末與激光束在熔池上方約1 mm匯集，粉末以熔融液滴形式進(jìn)入熔池，只有少部分能量用于基材表面形成微熔池。高速激光熔覆技術(shù)對基體熱輸入更低，縮短了熔池存續(xù)時(shí)間，有效提高了涂層制備效率，制備涂層具有更低的粗糙度，后續(xù)僅需磨削加工即可投入使用。高速激光熔覆技術(shù)的發(fā)明是表面再制造技術(shù)發(fā)展歷程中的革命性進(jìn)步，解決了工業(yè)界熔覆效率問題，具有里程碑的意義，高速激光熔覆技術(shù)再制造立柱如圖13所示。

圖13 高速激光熔覆技術(shù)再制造立柱

高速激光熔覆提高了液壓支架立柱的生產(chǎn)效率，但生產(chǎn)成本較高，不能滿足激光熔覆技術(shù)完全替代電鍍技術(shù)的要求?；诖?，中國礦業(yè)大學(xué)極端裝備制造與成形聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了高速激光熔覆-車削-滾壓多工藝復(fù)合再制造技術(shù)，并獲得長尺寸外圓表面激光熔覆及后處理裝置與方法專利。該技術(shù)在激光熔覆后對零件表面進(jìn)行車削，引入滾壓復(fù)合加工后處理工藝，降低了立柱表面粗糙度并提高了抗疲勞性能。該技術(shù)集成了智能化加工軟件，建立了大規(guī)格軸類零件高速激光熔覆智能加工示范平臺，提高了液壓支架立柱表面的耐磨、耐蝕性能，且不影響液壓支柱原有的力學(xué)性能；延長使用壽命，綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)再制造技術(shù)。高速激光熔-車削-滾壓多工藝復(fù)合再制造立柱如圖14所示。

圖14 高速激光熔-車削-滾壓多工藝復(fù)合再制造立柱

液壓支架立柱的表面再制造從早期的電鍍、化學(xué)鍍技術(shù)發(fā)展到噴涂技術(shù)，以及近幾年激光熔覆技術(shù)衍生出的高速激光熔覆、高速激光熔覆-車削-滾壓多工藝復(fù)合再制造技術(shù)。高速激光熔覆-車削-輥壓多工藝復(fù)合技術(shù)，集成了高速激光熔覆技術(shù)涂層與基體之間的冶金結(jié)合特征，提高了金屬粉末利用率，后續(xù)的車削輥壓降低了生產(chǎn)成本并改善了力學(xué)性能。該技術(shù)是目前在液壓支架立柱再制造技術(shù)中代替電鍍技術(shù)最為有效的技術(shù)手段。

盾構(gòu)滾刀再制造及應(yīng)用

盾構(gòu)盤形滾刀刀圈是盾構(gòu)機(jī)或TBM掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行掘進(jìn)任務(wù)的關(guān)鍵部件，刀圈在貫入、擠壓、破碎巖石的過程中，承受來自刀盤巨大的推力和轉(zhuǎn)矩，破巖時(shí)產(chǎn)生的沖擊及巖石磨損、局部高溫、振動、周圍介質(zhì)腐蝕，都會導(dǎo)致刀圈失效，尤以均勻磨損和偏磨為主。因此，對磨損的刀圈增材再制造，提高材料利用率、延長服役壽命，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，盾構(gòu)滾刀失效形式如圖15所示。

圖15 盾構(gòu)滾刀失效形式

4.1 傳統(tǒng)堆焊再制造滾刀技術(shù)

早在20世紀(jì)80年代，國內(nèi)開始承接外方盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵部件維修時(shí)，已開始采用氧-乙炔焰堆焊WC硬質(zhì)合金顆粒耐磨層方法進(jìn)行盤形滾刀再制造維修，如圖16所示。早期文獻(xiàn)報(bào)道，該方法致命缺點(diǎn)是WC顆粒熔化燒損導(dǎo)致耐磨性降低。后續(xù)研究中，采用WC顆粒為主要硬質(zhì)相改進(jìn)制作了焊條再制造提高了耐磨性能，延長了刀圈使用壽命，但在修復(fù)厚度較大時(shí)會積累較大熱應(yīng)力，增大了開裂風(fēng)險(xiǎn)，可靠性低，在很長時(shí)間內(nèi)未得到較大推廣。

圖16 堆焊WC修復(fù)后的盾構(gòu)滾刀刀圈

4.2 常規(guī)激光熔覆再制造滾刀技術(shù)

激光熔覆是快速加熱快速冷卻的表面改性技術(shù)，近年來激光器成本降低以及相關(guān)材料領(lǐng)域的進(jìn)步，逐步引入熱流密度更加集中的技術(shù)到滾刀再制造；受限于熔覆效率（光斑大小通常僅3 mm、單層熔覆厚度?。┖透鼜?fù)雜的溫度場變化，僅能對滾刀側(cè)面進(jìn)行較薄熔覆層再制造，如圖17所示為中國礦業(yè)大學(xué)極端裝備制造與成形聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室在2008年進(jìn)行的滾刀側(cè)面激光熔覆，一定程度上提高了滾刀壽命。

圖17 盾構(gòu)滾刀刀圈側(cè)面激光熔覆

4.3 能場輔助的激光再制造滾刀技術(shù)

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力和社會安全意識的提升，盾構(gòu)機(jī)成為地鐵、隧道、地下管廊等主流施工設(shè)備，煤炭開采也開始引入盾構(gòu)機(jī)，對關(guān)鍵部件滾刀的再制造也提出了更高要求，急需開展盾構(gòu)滾刀關(guān)鍵部件的延壽與再制造。

超聲場、電磁場、機(jī)械振動場等能場被引入到輔助激光熔覆再制造中，中國礦業(yè)大學(xué)極端裝備制造與成形聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了機(jī)械振動輔助再制造盾構(gòu)滾刀技術(shù)，機(jī)械振動促進(jìn)了熔池流動、細(xì)化晶粒、均勻陶瓷硬質(zhì)添加相和元素分布，提高了熔覆層性能，并提高了刀圈再制造層厚度，機(jī)械振動能場輔助激光熔覆的再制造刀圈如圖18所示。

圖18 機(jī)械振動能場輔助激光熔覆的再制造刀圈

4.4 振動時(shí)效后處理的高性能再制造滾刀技術(shù)

盾構(gòu)施工過程中，延長滾刀壽命是提高換刀周期的關(guān)鍵，為生產(chǎn)節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本。因此，進(jìn)一步提高盾構(gòu)滾刀再制造層厚度具有重要的理論及實(shí)際意義。中國礦業(yè)大學(xué)極端裝備制造與成形聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室研究了振動時(shí)效后處理盾構(gòu)滾刀激光高性能再制造技術(shù)，并取得一種通過振動輔助激光熔覆再制造滾刀刀圈的方法的發(fā)明專利。通過引入機(jī)械振動后處理熔覆間隙的盾構(gòu)滾刀，降低激光熔覆過程中引起的復(fù)雜殘余應(yīng)力。與熱時(shí)效去應(yīng)力相比，振動時(shí)效處理時(shí)間短、受場地和設(shè)備限制小，適合現(xiàn)場快速處理；引入機(jī)械振動輔助裝置進(jìn)行振動時(shí)效，減少裝夾步驟，提高再制造效率，盾構(gòu)滾刀刀圈再制造厚度得到明顯提高，力學(xué)性能得到有效改善，滾刀振動時(shí)效處理盾構(gòu)滾刀刀圈如圖19所示。

圖19 滾刀振動時(shí)效處理盾構(gòu)滾刀刀圈

盾構(gòu)滾刀刀圈再制造經(jīng)歷了從傳統(tǒng)堆焊修復(fù)到現(xiàn)代激光熔覆、能場輔助熔覆以及振動時(shí)效后處理的發(fā)展歷程，引入了振動時(shí)效后處理激光熔覆再制造技術(shù)，獲得了高性能的再制造激光熔覆層，減少了再制造缺陷、提高了涂層質(zhì)量、提升了再制造刀圈整體性能。

總 結(jié)

（1）煤機(jī)裝備關(guān)鍵部件再制造在制定方案時(shí)需要考慮基體材料和涂層性能等要求，提供的毛坯存在形式復(fù)雜多樣，通過仿真模擬再制造過程，滿足選擇再制造的方法、設(shè)備和材料。

（2）針對不同煤機(jī)裝備再制造需要，分類整理煤機(jī)裝備再制造各類信息，建立煤機(jī)裝備再制造數(shù)據(jù)庫，提高煤機(jī)裝備關(guān)鍵部件的綠色經(jīng)濟(jì)修復(fù)，實(shí)現(xiàn)更加高效高質(zhì)量的再制造。

（3）通過對煤機(jī)裝備關(guān)鍵部件再制造材料體系設(shè)計(jì)、工藝方法研究，形成就近現(xiàn)場再制造裝備，滿足快速響應(yīng)修復(fù)需求，服務(wù)于智能化開采，推動煤炭產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

投稿網(wǎng)址：www.chinamai.org.cn（期刊中心-作者投稿）

聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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