視角·觀點┃中國礦業大學程延海教授：煤機裝備關鍵部件再制造的工程實踐與思考

2025年05月30日 17:07 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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國內煤機裝備關鍵零部件對外依存度較高，開展煤機裝備高性能再制造工藝以及工程應用等體系化布局是解決制約我國綠色、智能開采發展的問題關鍵。尺寸恢復和性能提升是我國特有的再制造技術模式，利用先進的表面工程技術將失效零部件進行再制造修復，節約資源、減少環境污染和廢物處理，產生良好的經濟及社會效益。

文章來源：《智能礦山》2025年第5期“視角·觀點”欄目

作者簡介：程延海，二級教授，博士研究生導師，現任中國礦業大學機械制造系主任，極端裝備制造與成形聯合實驗室主任，主要從事智能礦山裝備設計與制造、激光表面再制造方面的相關研究工作。E-mail：chyh1007@cumt.edu.cn

作者單位：中國礦業大學

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

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

截齒再制造及應用

截齒分布在采煤機截割頭及掘進機滾筒，是掘進機/采煤機的重要關鍵部件，截齒、采煤機截割頭及掘進機滾筒如圖1所示。在地下嚴苛的服役環境下，需具有超強承載、耐磨、耐蝕、耐熱、超輕量化和高可靠性等特性。受材料、結構和制造工藝等多重因素的影響，在材料-結構-再制造工藝方面存在嚴重的不匹配性。主要表現為3個方面。

（1）材料分布和多尺度結構特征對構件性能的影響規律復雜，導致截齒材料與結構匹配的性能設計困難。

（2）受傳統設計方法和再制造工藝約束，復雜構件整體再制造困難。

（3）缺乏構件精確成形的調控方法，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。據統計，截齒由于磨損發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，保證截割機構工作穩定性，提高煤礦開采效率和降低成本至關重要。

圖1 截齒、采煤機截割頭及掘進機滾筒

1.1 傳統堆焊再制造截齒技術

截齒再制造經歷了不同階段。早期截齒主要采用傳統焊接方法進行再制造，此階段技術相對簡單，主要局部補焊截齒表面磨損以延長截齒使用壽命，但焊接熱輸入大，難以恢復截齒最初形狀及性能。隨著焊接技術的進步，在焊縫中加入碳化鎢等陶瓷增強相方法，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。

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圖2 碳化鎢合金顆粒堆焊再制造截齒

等離子弧焊技術在截齒再制造中也得到一定應用，利用高溫等離子弧進行表面堆焊修復，控制修復材料與基體結合強度，通過該技術修復截齒，提高抗沖擊和耐磨性能，適用于高強度工作的掘進設備，等離子弧焊再制造截齒如圖3所示。

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圖3 等離子弧焊再制造截齒

1.2 熱噴涂再制造截齒技術

噴涂技術通過噴槍或碟式霧化器等專業設備，利用壓力或離心力將涂料分散成微細霧滴或顆粒，噴射沉積到工件表面形成均勻、連續的涂層。隨著表面工程技術的發展，熱噴涂技術在截齒再制造中得到應用，通過噴涂硬質合金材料，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械結合，結合強度相對較低，在后續的生產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

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90年代，激光熔覆技術逐步進入工業應用，特別是在修復和強化高價值零部件方面。與熱噴涂相比，激光熔覆具有更高的結合強度和更精準的控制能力。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。該技術在煤礦截齒修復中逐漸被采用，并隨著激光熔覆設備的發展，修復成本不斷降低而得到廣泛推廣，經激光熔覆再制造的截齒，表面硬度高、耐磨和抗沖擊性能好，能很好地保護硬質合金頭，滿足長期承受各種磨損和介質腐蝕，提高了截齒服役時間，激光熔覆再制造截齒如圖5所示。

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圖5 激光熔覆再制造截齒

液壓支架立柱表面再制造及應用

液壓支架是煤炭開采中重要的支護設備，立柱是連接頂梁和底座的關鍵部件，承受頂板載荷并釋放壓力，受到煤礦井下惡劣工作環境的影響，液壓支架立柱在使用過程中易出現不同程度的損傷，表面磨損比較嚴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，液壓支架立柱腐蝕、磨損失效如圖6所示。

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圖6 液壓支架立柱的腐蝕、磨損失效

3.1 電鍍表面防護再制造立柱技術

早期液壓支架立柱普遍采用電鍍技術進行表面防護，如圖7所示。該技術發展相對成熟，電鍍技術表面處理光潔度、鍍層硬度高，在干摩擦條件下摩擦因數最低，且耐磨性更好。但電鍍工藝沉積速率較慢，一般約為25 μm/h，當涂層厚度高于0.2~0.4 mm時，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較差，采用象形陽極以及輔助陰極等方式，無法實現電力線的均勻分布。

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圖7 電鍍表面防護再制造立柱

我國煤炭資源部分區域井下環境中富含C^l-、S^2-等強腐蝕離子，加之高粉塵、強磨損工況，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生劃痕，加劇了鍍層腐蝕損壞。電鍍過程中產生鉻霧及含鉻廢水，環境污染嚴重，也會對人體產生損害；鍍鉻產品若未能有效回收，對環境產生二次污染，致使電鍍技術逐漸退出液壓支架立柱的表面防護處理。

3.2 化學鍍表面防護再制造立柱技術

化學鍍是指在沒有外電流通過的情況下，依靠化學反應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。化學鍍突出特點為鍍層分散能力好，無明顯的邊緣效應，不受工件復雜外形限制，鍍層厚度均勻。化學鍍具有良好的化學、力學和磁學性能，晶粒細、無孔、耐蝕性好。化學鍍工藝設備簡單，無需電源、輸出系統及輔助電極，操作時只需把工件正確懸掛在鍍液中即可，但化學鍍溶液穩定性較差，壽命短，成本高，易受酸堿和溫度影響，化學鍍表面防護再制造立柱如圖8所示。

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圖8 化學鍍表面防護再制造立柱

21世紀10年代，化學鍍在處理液壓支架立柱表面曾在部分企業得到廣泛應用，與電鍍技術類似，環保壓力使得化學鍍技術也未能在液壓支架立柱表面防護處理得到進一步推廣應用。

3.3 熱噴涂表面防護再制造立柱技術

熱噴涂再制造技術在立柱表面得到一定程度的應用，如圖9所示。高速電弧噴涂是再制造立柱應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異的耐磨、防腐、防滑、耐高溫等性能，在立柱修復和再制造領域中得到廣泛的應用。

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圖9 熱噴涂表面再制造立柱

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圖10 高速電弧噴涂

進一步發展的高速射流電弧噴涂是利用新型拉瓦爾噴管設計和改進噴涂槍，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定性。新型高速射流電弧噴涂的優點包括3個方面。

（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）涂層結合強度顯著提高。高速電弧噴涂耐磨用3Cr13涂層的結合強度達到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%，而相應的普通電弧噴涂層的孔隙率>5%。

3.4 激光熔覆表面防護再制造立柱技術

激光熔覆表面強化技術在液壓支架立柱的應用是煤機裝備領域的突出貢獻。通過規范的激光熔覆修復立柱表面，使立柱使用壽命相對于原電鍍修復工藝大幅延長，使用性能也高于電鍍修復立柱性能，激光熔覆修復工藝所有過程不產生污染環境廢水。相對傳統的焊絲/條表面堆焊、電鍍、等離子熔覆技術等金屬材料表面改性技術，激光熔覆技術具有無污染、熱轉換效率高、消耗能量少，工件不變形等優點。

激光熔覆加工在液壓支架再制造過程中技術成熟，取得了良好的效果，但熔覆所用金屬粉末價格相對昂貴，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，由于生產效率及成本等因素，激光熔覆表面防護再制造立柱技術仍未得到廣泛推廣，激光熔覆表面再制造立柱如圖11所示。

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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再制造立柱技術

高速激光熔覆技術原理如圖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現防護涂層的制備，且涂層與基材能夠形成冶金結合，是液壓支架立柱表面再制造的優選技術。

圖12 激光熔覆與高速激光熔覆比較

高速激光熔覆與常規激光熔覆技術不同，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。高速激光熔覆技術對基體熱輸入更低，縮短了熔池存續時間，有效提高了涂層制備效率，制備涂層具有更低的粗糙度，后續僅需磨削加工即可投入使用。高速激光熔覆技術的發明是表面再制造技術發展歷程中的革命性進步，解決了工業界熔覆效率問題，具有里程碑的意義，高速激光熔覆技術再制造立柱如圖13所示。

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圖13 高速激光熔覆技術再制造立柱

高速激光熔覆提高了液壓支架立柱的生產效率，但生產成本較高，不能滿足激光熔覆技術完全替代電鍍技術的要求。基于此，中國礦業大學極端裝備制造與成形聯合實驗室開發了高速激光熔覆-車削-滾壓多工藝復合再制造技術，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。該技術在激光熔覆后對零件表面進行車削，引入滾壓復合加工后處理工藝，降低了立柱表面粗糙度并提高了抗疲勞性能。該技術集成了智能化加工軟件，建立了大規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性能；延長使用壽命，綜合性能優于傳統再制造技術。高速激光熔-車削-滾壓多工藝復合再制造立柱如圖14所示。

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圖14 高速激光熔-車削-滾壓多工藝復合再制造立柱

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

盾構滾刀再制造及應用

盾構盤形滾刀刀圈是盾構機或TBM掘進機執行掘進任務的關鍵部件，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矩，破巖時產生的沖擊及巖石磨損、局部高溫、振動、周圍介質腐蝕，都會導致刀圈失效，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，具有重要的經濟價值，盾構滾刀失效形式如圖15所示。

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圖15 盾構滾刀失效形式

4.1 傳統堆焊再制造滾刀技術

早在20世紀80年代，國內開始承接外方盾構機關鍵部件維修時，已開始采用氧-乙炔焰堆焊WC硬質合金顆粒耐磨層方法進行盤形滾刀再制造維修，如圖16所示。早期文獻報道，該方法致命缺點是WC顆粒熔化燒損導致耐磨性降低。后續研究中，采用WC顆粒為主要硬質相改進制作了焊條再制造提高了耐磨性能，延長了刀圈使用壽命，但在修復厚度較大時會積累較大熱應力，增大了開裂風險，可靠性低，在很長時間內未得到較大推廣。

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圖16 堆焊WC修復后的盾構滾刀刀圈

4.2 常規激光熔覆再制造滾刀技術

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

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圖17 盾構滾刀刀圈側面激光熔覆

4.3 能場輔助的激光再制造滾刀技術

隨著我國經濟實力和社會安全意識的提升，盾構機成為地鐵、隧道、地下管廊等主流施工設備，煤炭開采也開始引入盾構機，對關鍵部件滾刀的再制造也提出了更高要求，急需開展盾構滾刀關鍵部件的延壽與再制造。

超聲場、電磁場、機械振動場等能場被引入到輔助激光熔覆再制造中，中國礦業大學極端裝備制造與成形聯合實驗室發明了機械振動輔助再制造盾構滾刀技術，機械振動促進了熔池流動、細化晶粒、均勻陶瓷硬質添加相和元素分布，提高了熔覆層性能，并提高了刀圈再制造層厚度，機械振動能場輔助激光熔覆的再制造刀圈如圖18所示。

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圖18 機械振動能場輔助激光熔覆的再制造刀圈

4.4 振動時效后處理的高性能再制造滾刀技術

盾構施工過程中，延長滾刀壽命是提高換刀周期的關鍵，為生產節約經濟成本。因此，進一步提高盾構滾刀再制造層厚度具有重要的理論及實際意義。中國礦業大學極端裝備制造與成形聯合實驗室研究了振動時效后處理盾構滾刀激光高性能再制造技術，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明專利。通過引入機械振動后處理熔覆間隙的盾構滾刀，降低激光熔覆過程中引起的復雜殘余應力。與熱時效去應力相比，振動時效處理時間短、受場地和設備限制小，適合現場快速處理；引入機械振動輔助裝置進行振動時效，減少裝夾步驟，提高再制造效率，盾構滾刀刀圈再制造厚度得到明顯提高，力學性能得到有效改善，滾刀振動時效處理盾構滾刀刀圈如圖19所示。