矿山机械产品设计中复合材料的选择与应用

矿山机械产品设计中复合材料的选择与应用
摘要：长期以来，矿山机械产品一直给人们粗大笨重的感觉。

随着工程技术和
材料科学的不断发展，传统单一的金属材料已经不能满足许多大型机械产品，尤
其是矿山机械产品开发设计需要。

复合材料，因为其固有的高比强度、高比刚度、高耐腐蚀耐磨性、高破损安全性、高设计性等诸多优势，越来越受到人们的关注。

复合材料的应用可以减少大型机械的零件数量和装配工作量，从而降低机械生产
成本，自问世之初便被广泛应用于航空航天、机械制造、国防军工等等。

在矿山
机械产品设计中大量使用复合材料，不仅能满足对腐蚀性和耐磨性的要求，并且
能够实现产品轻量化和美观的设计需求。

其中钨铜基耐磨材料一直是矿山机械设
计中常用的复合材料。

关键词：矿山机械；产品设计；复合材料
引言：复合材料在矿山机械产品设计中的大量应用，可是使产品实现轻量化
和美观的需求。

文章以钨铜基耐磨复合材料为例，分析了材料的性能特性，对其
发展现状做出评估，针对钨铜基耐磨复合材料独特性能，结合矿山机械实例对其
进行应用分析。

一、矿山机械产品造型识别设计
特征与风格是产品识别的基础，不同的产品，所使用的识别方法也不同。

矿
山机械因形态复杂，生产与作业环境特殊，对外观设计形成一定的约束。

同时，
该类产品的开发以技术人员为主，注重功能实现性、安全性和可靠性等指标，缺
乏造型设计的意识。

但该领域的一些知名品牌的产品已开展造型设计的相关研究
工作，成为提高产品附加值、增强企业竞争力的重要手段。

（一）特征元素的提取
采用相关品牌调研、技术生产调研等，针对同类型竞争产品特征元素的归纳，获得现阶段同类型产品的主要元素表征，并结合竞争品牌企业文化、品牌战略，
确定特征元素。

（二）产品特征面提取
针对矿山机械三维造型复杂的特点，构建产品的使用情景，对情景中有代表
性的所有面进行简化，去除特征元素较少或无关的形面。

（三）产品意象风格定位
采用意象看板、语义分析法，对行业产品造型发展趋势的进行意象定位，确
定本企业产品在意象趋势中的位置，并对风格进行定义。

（四）产品设计
基于工业设计的造型方案草图构思、思维导图、创新设计等方法，进行产品
真实效果的表达。

（五）工程评估
通过成本评估、工艺评估、可靠性评估等，最后进行试制。

二、金属钨铜基复合材料的性能研究
（一）钨材料发展研究
近几年来，我国金属基复合材料的研究一直在不断发展革新，早期的研究领
域一直偏重于纤维强化铝基和镁基的研究，但是因为其制备工艺复杂，加工困难
所以一直难以大面积应用于大型机械，所以国内外学者开始找寻替代材料，钨因
为其独有性能开始被发掘出来。

根据铜基耐磨材料的增强机体要求原则，基体必
须和增强材料有较强浸润融合性，因为在加工过程中，基体很有可能处于高温熔
断状态，所以要求增强材料必须有耐高温性。

金属钨就是一种耐高温、高熔点固
体自润滑有较强融合性的材料，所以金属钨的挖掘对铜基耐磨复合材料的制备具
有重要意义，对矿山机械产品易磨件的设计同样具有现实价值。

（二）金属钨材料性能研究
金属钨具有良好的稳定性、润滑性、耐磨耐腐蚀性。

在常温下可以不受强酸、强碱或其他有机溶液的侵蚀。

因此金属钨不仅可以作为金属基硬化的辅助材料，
也能作为矿山机械轴承的润滑材料。

金属钨在空气湿润的条件下更易发挥良好润
滑性，水和空气的分子结构可以牢牢吸附在金属钨表面的气孔上，在机械部件滑
动时，减弱了截面间的结合力。

另一方面，矿山机械的附着力也是靠金属钨基面
边缘的附着力提供的，由于水分子和空气分子牢牢占据气孔，导致附着力降低，
这也是金属钨润滑性原理的主要成因。

所以在矿山机械应用中，对金属钨润滑部
件必须保持周围空气湿润，充分发挥其润滑作用，否则其磨损率将会增大。

在摩
擦过程中，金属钨颗粒会剥离出极小的金属钨粒子，材料制备中所含的外部不纯物、空气中的浮动尘埃，这些都可以在反复摩擦中填充气孔，从而降低金属钨机
体在矿山机械加工时的磨损量。

摩擦时产生的金属钨晶体，对金属同样具有吸附
作用。

矿山机械部件发生对磨时，表面金属由于发生黏着，使金属钨微粒紧紧吸
附于氧化金属中，形成金属氧化膜，保护金属，降低磨损效应。

（三）金属钨铜基复合材料性能研究
为了系统测试金属钨铜基复合材料物理性能，特对其进行实验测试。

原料采
用铸铜铜屑和纯净200克金属钨粉为原材料，以金属钨铸铜，质量比例分别为1%、1.5%、2%、2.5%。

充分混合后经100t压力挤压成型，经过真空烧节装置进
行烧制成型，取出后经过自然冷却。

对试样进行退火，低于300℃重新装炉，以
每小时80℃的速度持续升温到850℃保温2小时后炉冷到250℃空冷。

随后对金
属钨铜基复合材料进行硬度、摩擦力、耐磨性做横向对比。

通过分析金属钨添加
量对金属基材料硬度影响对比可知，随着金属钨添加质量比例逐渐增大，金属铜
基硬度也随之增大，复合材料硬度提高。

通过对金属钨颗粒和金属基摩擦力性质
影响研究可知，金属钨添加质量越高，摩擦力越小，润滑效果也越明显。

三、金属钨铜基复合材料在矿山机械中的实际应用
金属钨铜基复合材料因为其高耐热、高润滑、高强度适应性被广泛应用于矿
山机械设备中，特别适合在较为严苛工作环境下的矿山机械设备易损件的应用如
矿山竖井罐、爬坡推车滚轮等[1]。

（一）矿山竖井罐笼应用研究
在金属矿山开采中，矿山竖井罐笼一直是矿井竖直方向主要驱动力设备之一。

工作时，最快运行速度可以达到10m/s，所以在高速运行状态下，势必会产生大
量的热，这就要求相关设备材料具有高耐热性。

导向索固定在罐笼上，工作时会
与导向钢丝做剧烈摩擦运动，所以为了保证工人施工安全必须严格要求钢丝强度，并需要尽可能减弱摩擦力。

根据摩擦力硬度原理，铁索质地需要提高硬度，耐磨性，最好具有一定自润滑性能。

选择金属钨铜基材料制作后，钢丝绳与罐笼具有
合适的硬度配比，钨铜丝不易被扯断，并且因为材料当中具有大量金属钨，在水
汽充足的条件下具有自润滑效果，从而可以有效保护机体和钨铜丝绳。

（二）矿山机械爬坡推车机滚轮中的应用
之前矿山大型机械滚轮采用不锈钢制轴承，虽然可以保证硬度但是造价高昂
维修困难，而且耐磨性并不尽如人意。

采用金属钨铜基复合材料制成的滚轮轴承后，轮轴运转并不会出现卡阻现象，机械设备运行良好，通过对不数据可以确定，
润滑周期可以上升到3天1次，维修时在装备槽加入润滑油即可，更换周期可以
由原来的30天上升为115天左右，成本降低75%以上[3]。

结论：
简而言之，除了上述应用外，金属钨铜基材料因为其独有性能在矿山机械产
品设计领域还具有广泛用途。

通过不断加工和金属钨质量配比实验，金属钨铜基
材料已经可以适用于更多机械易磨件，如轴承、套筒、活塞等，可以肯定的是金
属钨铜基在矿山机械设计应用中会有更广阔的前景[4]。

参考文献：
[1]吴亚群.金属复合材料在给水管网优化设计中的选择与应用[J].世界有色金属,2017,15(5):135-136.
[2]陈秀丽.现代设计方法在矿山机械设计中的应用研究[J].文摘版:工程技
术,2015,5(13):273-273.
[3]蒋焱，论现代设计方法在矿山机械设计中的应用[J].工业，2016,16（24）：133-134.
[4]周航.现代设计方法在矿山机械设计中的应用[J].现代制造技术与装
备,2016,58(12):167-168.。