国内煤机装备关键零部件对外依存度较高，开展煤机装备高性能再制造工艺以及工程应用等体系化布局是解决制约我国绿色、智能开采发展的问题关键。尺寸恢复和性能提升是我国特有的再制造技术模式，利用先进的表面工程技术将失效零部件进行再制造修复，节约资源、减少环境污染和废物处理，产生良好的经济及社会效益。
文章来源：《智能矿山》2025年第5期“视角·观点”栏目
作者简介：程延海，二级教授，博士研究生导师，现任中国矿业大学机械制造系主任，极端装备制造与成形联合实验室主任，主要从事智能矿山装备设计与制造、激光表面再制造方面的相关研究工作。
作者单位：中国矿业大学
引用格式：程延海. 煤机装备关键部件再制造的工程实践与思考[J]. 智能矿山，2025，6(4)：8-15.
煤机装备关键部件种类繁多，煤机装备关键部件再制造发展呈需求多元化和工况复杂化趋势，外形方面包括截齿、滚刀等非规则表面，也包括立柱等圆柱形件规则表面；性能方面要求耐磨、耐蚀、耐高温、耐冲击等性能。因此，对于煤机关键部件再制造需要依据本体材料及不同服役工况进行再制造工艺方法设计，选择合适的再制造装备。
01
截齿再制造及应用
截齿分布在采煤机截割头及掘进机滚筒，是掘进机/采煤机的重要关键部件，截齿、采煤机截割头及掘进机滚筒如图1所示。在地下严苛的服役环境下，需具有超强承载、耐磨、耐蚀、耐热、超轻量化和高可靠性等特性。受材料、结构和制造工艺等多重因素的影响，在材料-结构-再制造工艺方面存在严重的不匹配性。主要表现为3个方面。
（1）材料分布和多尺度结构特征对构件性能的影响规律复杂，导致截齿材料与结构匹配的性能设计困难。
（2）受传统设计方法和再制造工艺约束，复杂构件整体再制造困难。
（3）缺乏构件精确成形的调控方法，造成高性能再制造难以成形。
截齿失效形式主要为合金头磨损、合金头脱落、合金头碎裂以及齿身弯曲和折断。据统计，截齿由于磨损发生失效总体失效占比约70%，其中，由于截齿齿体磨损造成失效接近50%，因此提高截齿耐磨性能，尤其是齿体耐磨性能以及截齿抗冲击性等综合性能，保证截割机构工作稳定性，提高煤矿开采效率和降低成本至关重要。
图1 截齿、采煤机截割头及掘进机滚筒
1.1 传统堆焊再制造截齿技术
截齿再制造经历了不同阶段。早期截齿主要采用传统焊接方法进行再制造，此阶段技术相对简单，主要局部补焊截齿表面磨损以延长截齿使用寿命，但焊接热输入大，难以恢复截齿最初形状及性能。随着焊接技术的进步，在焊缝中加入碳化钨等陶瓷增强相方法，提高截齿使用寿命，碳化钨合金颗粒堆焊再制造截齿如图2所示。
图2 碳化钨合金颗粒堆焊再制造截齿
等离子弧焊技术在截齿再制造中也得到一定应用，利用高温等离子弧进行表面堆焊修复，控制修复材料与基体结合强度，通过该技术修复截齿，提高抗冲击和耐磨性能，适用于高强度工作的掘进设备，等离子弧焊再制造截齿如图3所示。
图3 等离子弧焊再制造截齿
1.2 热喷涂再制造截齿技术
喷涂技术通过喷枪或碟式雾化器等专业设备，利用压力或离心力将涂料分散成微细雾滴或颗粒，喷射沉积到工件表面形成均匀、连续的涂层。随着表面工程技术的发展，热喷涂技术在截齿再制造中得到应用，通过喷涂硬质合金材料，截齿表面耐磨性和抗腐蚀性显著提升；但由于热喷涂过程中涂层与基体为机械结合，结合强度相对较低，在后续的生产中未能得到广泛推广，热喷涂再制造截齿如图4所示。
图4 热喷涂再制造截齿
02
激光熔覆再制造截齿技术
激光熔覆通过在基体表面添加熔覆材料，利用高能量密度激光束，使熔覆材料与基体表面一起熔凝在基体表面的快速凝固方法，形成与基材具有完全不同成分和性能的合金层。20世纪90年代，激光熔覆技术逐步进入工业应用，特别是在修复和强化高价值零部件方面。与热喷涂相比，激光熔覆具有更高的结合强度和更精准的控制能力。通过激光熔覆在截齿表面形成致密且硬度高的熔覆层，提高了截齿耐磨性和抗冲击性能。该技术在煤矿截齿修复中逐渐被采用，并随着激光熔覆设备的发展，修复成本不断降低而得到广泛推广，经激光熔覆再制造的截齿，表面硬度高、耐磨和抗冲击性能好，能很好地保护硬质合金头，满足长期承受各种磨损和介质腐蚀，提高了截齿服役时间，激光熔覆再制造截齿如图5所示。
图5 激光熔覆再制造截齿
03
液压支架立柱表面再制造及应用
液压支架是煤炭开采中重要的支护设备，立柱是连接顶梁和底座的关键部件，承受顶板载荷并释放压力，受到煤矿井下恶劣工作环境的影响，液压支架立柱在使用过程中易出现不同程度的损伤，表面磨损比较严重加之不同程度的腐蚀，直接影响液压支架立柱和缸筒密封性、支撑力减弱，缩短了液压支架的使用寿命，基于此，开展了多种液压支架立柱再制造技术，液压支架立柱腐蚀、磨损失效如图6所示。
图6 液压支架立柱的腐蚀、磨损失效
3.1 电镀表面防护再制造立柱技术
早期液压支架立柱普遍采用电镀技术进行表面防护，如图7所示。该技术发展相对成熟，电镀技术表面处理光洁度、镀层硬度高，在干摩擦条件下摩擦因数最低，且耐磨性更好。但电镀工艺沉积速率较慢，一般约为25 μm/h，当涂层厚度高于0.2~0.4 mm时，电镀效率会受到一定限制，电镀液覆盖能力和分散能力表现较差，采用象形阳极以及辅助阴极等方式，无法实现电力线的均匀分布。
图7 电镀表面防护再制造立柱
我国煤炭资源部分区域井下环境中富含Cl-、S2-等强腐蚀离子，加之高粉尘、强磨损工况，降低了液压支架立柱的服役寿命；采矿过程中飞溅颗粒也对镀层表面产生划痕，加剧了镀层腐蚀损坏。电镀过程中产生铬雾及含铬废水，环境污染严重，也会对人体产生损害；镀铬产品若未能有效回收，对环境产生二次污染，致使电镀技术逐渐退出液压支架立柱的表面防护处理。
3.2 化学镀表面防护再制造立柱技术
化学镀是指在没有外电流通过的情况下，依靠化学反应使溶液中的还原剂被氧化释放自由电子，把金属离子还原为金属原子并沉积在基体表面，形成镀层的表面加工方法。化学镀突出特点为镀层分散能力好，无明显的边缘效应，不受工件复杂外形限制，镀层厚度均匀。化学镀具有良好的化学、力学和磁学性能，晶粒细、无孔、耐蚀性好。化学镀工艺设备简单，无需电源、输出系统及辅助电极，操作时只需把工件正确悬挂在镀液中即可，但化学镀溶液稳定性较差，寿命短，成本高，易受酸碱和温度影响，化学镀表面防护再制造立柱如图8所示。
图8 化学镀表面防护再制造立柱
21世纪10年代，化学镀在处理液压支架立柱表面曾在部分企业得到广泛应用，与电镀技术类似，环保压力使得化学镀技术也未能在液压支架立柱表面防护处理得到进一步推广应用。
3.3 热喷涂表面防护再制造立柱技术
热喷涂再制造技术在立柱表面得到一定程度的应用，如图9所示。高速电弧喷涂是再制造立柱应用效果较好的热喷涂方法，以电弧为热源，将熔化的金属丝用高速气流雾化，并以高速喷射到工件表面形成涂层，如图10所示。高速电弧喷涂赋予工件表面优异的耐磨、防腐、防滑、耐高温等性能，在立柱修复和再制造领域中得到广泛的应用。
图9 热喷涂表面再制造立柱
图10 高速电弧喷涂
进一步发展的高速射流电弧喷涂是利用新型拉瓦尔喷管设计和改进喷涂枪，采用高压空气流作雾化气流，加速熔滴脱离，熔滴加速度增加并提高电弧的稳定性。新型高速射流电弧喷涂的优点包括3个方面。
（1）熔滴速度显著提高，雾化效果明显改善。在距喷涂枪喷嘴轴向80 mm范围内气流速度>600 m/s，而普通电弧喷涂枪仅为200～375 m/s，最高熔滴速度为350 m/s。熔滴平均直径为普通喷涂枪雾化粒子的1/3～1/8。
（2）涂层结合强度显著提高。高速电弧喷涂耐磨用3Cr13涂层的结合强度达到43 MPa，是普通电弧喷涂层的1.5倍。
（3）涂层孔隙率低。高速电弧喷涂3Cr13涂层的孔隙率<2%，而相应的普通电弧喷涂层的孔隙率>5%。
3.4 激光熔覆表面防护再制造立柱技术
激光熔覆表面强化技术在液压支架立柱的应用是煤机装备领域的突出贡献。通过规范的激光熔覆修复立柱表面，使立柱使用寿命相对于原电镀修复工艺大幅延长，使用性能也高于电镀修复立柱性能，激光熔覆修复工艺所有过程不产生污染环境废水。相对传统的焊丝/条表面堆焊、电镀、等离子熔覆技术等金属材料表面改性技术，激光熔覆技术具有无污染、热转换效率高、消耗能量少，工件不变形等优点。
激光熔覆加工在液压支架再制造过程中技术成熟，取得了良好的效果，但熔覆所用金属粉末价格相对昂贵，激光熔覆较电镀成本略高，因表面粗糙度较大，在后续加工中需要去除量较多，且熔覆金属硬度大，后期加工难度大。因此，由于生产效率及成本等因素，激光熔覆表面防护再制造立柱技术仍未得到广泛推广，激光熔覆表面再制造立柱如图11所示。
图11 激光熔覆表面再制造立柱
3.5 高速激光熔覆表面防护再制造立柱技术
高速激光熔覆技术原理如图12所示，高速激光熔覆以高激光能量密度迅速熔化粉体材料并凝固实现防护涂层的制备，且涂层与基材能够形成冶金结合，是液压支架立柱表面再制造的优选技术。
图12 激光熔覆与高速激光熔覆比较
高速激光熔覆与常规激光熔覆技术不同，其粉末与激光束在熔池上方约1 mm汇集，粉末以熔融液滴形式进入熔池，只有少部分能量用于基材表面形成微熔池。高速激光熔覆技术对基体热输入更低，缩短了熔池存续时间，有效提高了涂层制备效率，制备涂层具有更低的粗糙度，后续仅需磨削加工即可投入使用。高速激光熔覆技术的发明是表面再制造技术发展历程中的革命性进步，解决了工业界熔覆效率问题，具有里程碑的意义，高速激光熔覆技术再制造立柱如图13所示。
图13 高速激光熔覆技术再制造立柱
高速激光熔覆提高了液压支架立柱的生产效率，但生产成本较高，不能满足激光熔覆技术完全替代电镀技术的要求。基于此，中国矿业大学极端装备制造与成形联合实验室开发了高速激光熔覆-车削-滚压多工艺复合再制造技术，并获得长尺寸外圆表面激光熔覆及后处理装置与方法专利。该技术在激光熔覆后对零件表面进行车削，引入滚压复合加工后处理工艺，降低了立柱表面粗糙度并提高了抗疲劳性能。该技术集成了智能化加工软件，建立了大规格轴类零件高速激光熔覆智能加工示范平台，提高了液压支架立柱表面的耐磨、耐蚀性能，且不影响液压支柱原有的力学性能；延长使用寿命，综合性能优于传统再制造技术。高速激光熔-车削-滚压多工艺复合再制造立柱如图14所示。
图14 高速激光熔-车削-滚压多工艺复合再制造立柱
液压支架立柱的表面再制造从早期的电镀、化学镀技术发展到喷涂技术，以及近几年激光熔覆技术衍生出的高速激光熔覆、高速激光熔覆-车削-滚压多工艺复合再制造技术。高速激光熔覆-车削-辊压多工艺复合技术，集成了高速激光熔覆技术涂层与基体之间的冶金结合特征，提高了金属粉末利用率，后续的车削辊压降低了生产成本并改善了力学性能。该技术是目前在液压支架立柱再制造技术中代替电镀技术最为有效的技术手段。
04
盾构滚刀再制造及应用
盾构盘形滚刀刀圈是盾构机或TBM掘进机执行掘进任务的关键部件，刀圈在贯入、挤压、破碎岩石的过程中，承受来自刀盘巨大的推力和转矩，破岩时产生的冲击及岩石磨损、局部高温、振动、周围介质腐蚀，都会导致刀圈失效，尤以均匀磨损和偏磨为主。因此，对磨损的刀圈增材再制造，提高材料利用率、延长服役寿命，具有重要的经济价值，盾构滚刀失效形式如图15所示。
图15 盾构滚刀失效形式
4.1 传统堆焊再制造滚刀技术
早在20世纪80年代，国内开始承接外方盾构机关键部件维修时，已开始采用氧-乙炔焰堆焊WC硬质合金颗粒耐磨层方法进行盘形滚刀再制造维修，如图16所示。早期文献报道，该方法致命缺点是WC颗粒熔化烧损导致耐磨性降低。后续研究中，采用WC颗粒为主要硬质相改进制作了焊条再制造提高了耐磨性能，延长了刀圈使用寿命，但在修复厚度较大时会积累较大热应力，增大了开裂风险，可靠性低，在很长时间内未得到较大推广。
图16 堆焊WC修复后的盾构滚刀刀圈
4.2 常规激光熔覆再制造滚刀技术
激光熔覆是快速加热快速冷却的表面改性技术，近年来激光器成本降低以及相关材料领域的进步，逐步引入热流密度更加集中的技术到滚刀再制造；受限于熔覆效率（光斑大小通常仅3 mm、单层熔覆厚度小）和更复杂的温度场变化，仅能对滚刀侧面进行较薄熔覆层再制造，如图17所示为中国矿业大学极端装备制造与成形联合实验室在2008年进行的滚刀侧面激光熔覆，一定程度上提高了滚刀寿命。
图17 盾构滚刀刀圈侧面激光熔覆
4.3 能场辅助的激光再制造滚刀技术
随着我国经济实力和社会安全意识的提升，盾构机成为地铁、隧道、地下管廊等主流施工设备，煤炭开采也开始引入盾构机，对关键部件滚刀的再制造也提出了更高要求，急需开展盾构滚刀关键部件的延寿与再制造。
超声场、电磁场、机械振动场等能场被引入到辅助激光熔覆再制造中，中国矿业大学极端装备制造与成形联合实验室发明了机械振动辅助再制造盾构滚刀技术，机械振动促进了熔池流动、细化晶粒、均匀陶瓷硬质添加相和元素分布，提高了熔覆层性能，并提高了刀圈再制造层厚度，机械振动能场辅助激光熔覆的再制造刀圈如图18所示。
图18 机械振动能场辅助激光熔覆的再制造刀圈
4.4 振动时效后处理的高性能再制造滚刀技术
盾构施工过程中，延长滚刀寿命是提高换刀周期的关键，为生产节约经济成本。因此，进一步提高盾构滚刀再制造层厚度具有重要的理论及实际意义。中国矿业大学极端装备制造与成形联合实验室研究了振动时效后处理盾构滚刀激光高性能再制造技术，并取得一种通过振动辅助激光熔覆再制造滚刀刀圈的方法的发明专利。通过引入机械振动后处理熔覆间隙的盾构滚刀，降低激光熔覆过程中引起的复杂残余应力。与热时效去应力相比，振动时效处理时间短、受场地和设备限制小，适合现场快速处理；引入机械振动辅助装置进行振动时效，减少装夹步骤，提高再制造效率，盾构滚刀刀圈再制造厚度得到明显提高，力学性能得到有效改善，滚刀振动时效处理盾构滚刀刀圈如图19所示。
图19 滚刀振动时效处理盾构滚刀刀圈
盾构滚刀刀圈再制造经历了从传统堆焊修复到现代激光熔覆、能场辅助熔覆以及振动时效后处理的发展历程，引入了振动时效后处理激光熔覆再制造技术，获得了高性能的再制造激光熔覆层，减少了再制造缺陷、提高了涂层质量、提升了再制造刀圈整体性能。
05
总 结
（1）煤机装备关键部件再制造在制定方案时需要考虑基体材料和涂层性能等要求，提供的毛坯存在形式复杂多样，通过仿真模拟再制造过程，满足选择再制造的方法、设备和材料。
（2）针对不同煤机装备再制造需要，分类整理煤机装备再制造各类信息，建立煤机装备再制造数据库，提高煤机装备关键部件的绿色经济修复，实现更加高效高质量的再制造。
（3）通过对煤机装备关键部件再制造材料体系设计、工艺方法研究，形成就近现场再制造装备，满足快速响应修复需求，服务于智能化开采，推动煤炭产业高质量发展。
长三角G60激光联盟陈长军转载
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