礦井采煤機截割部外殼的可靠性研究

牛利君

?

礦井采煤機截割部外殼的可靠性研究

牛利君

(陽煤集團平定東升興裕煤業有限公司，山西 陽泉市 045299)

針對采煤機截割部外殼的可靠性進行了系統研究，認為電機箱與傳動箱連接的位置以及外殼前端的加強筋位置為應力集中位置，材料容易發生疲勞，當采煤機長期運行時，會影響整個采煤機工作的可靠性，需要進行結構優化；為了提高材料的強度和韌度，選擇CrNiMo系調質鋼在熱處理后進行機加工和低溫回火處理。

采煤機；外殼；熱處理；結構優化

截割部是礦井采煤機的主要組成結構，在截割部內部，電機提供的機械能通過齒輪傳遞給滾筒，滾筒轉動完成割煤和落煤工作。截割部外殼不僅要承受自身結構整體的質量以及滾筒割煤產生的作用力，而且鑒于采煤機工作環境的惡劣，截割部外殼還會受到沖擊荷載作用，受力復雜且趨于多變[1]，故采煤機長時間的工作運轉條件下截割部外殼及其內部的傳動系統運行穩定性會減低，采煤機容易形成故障。為了提升采煤機整體運行的穩定性和可靠性水平，需要提高截割部結構的可靠性。

1 截割部外殼結構的可靠性研究

(1) 外殼受力分析。礦井采煤機滾筒在割煤過程中，將其所受的力進行分解如圖1所示[2]。

圖1 采煤機滾筒受力分析

在圖1中，F是截割阻力，其方向垂直于采煤機牽引方向，作用于采煤機滾筒截齒的齒尖位置，當煤層傾角較小可視為近水平煤層時，滾筒在水平方向上所受載荷最為顯著，所處的工況條件最為惡劣，此時，F=153 kN截割阻力，F=914 kN推進阻力，截齒的軸向作用力F=58 kN。

(2) 外殼的數值模擬分析。在外殼結構中，倒角和凸臺等幾乎不會對數值模擬的結果造成影響，故在進行仿真時不考慮這些因素，所建模型如圖2所示，目前所用采煤機截割部外殼的楊氏模量和泊松比分別為205 GPa和0.35，材料的屈服強度為265 MPa，疲勞極限強度為490 MPa。

圖2 采煤機滾筒外殼模型

對油缸和牽引箱交界面上各個節點均進行位移約束，在過采煤機滾筒中部位置的水平面上施加F和F，在3/4倍的采煤機滾筒半徑處施加F。則模擬得到的滾筒外殼受力特征如圖3所示。

從圖3可以發現，電機箱與傳動箱連接的位置應力可達236 MPa，而外殼前端的加強筋位置應力更加明顯，達到了532 MPa，超過了490 MPa(疲勞極限強度)，而前者接近265 MPa(材料的屈服強度)，當采煤機長期運行時，這兩處位置會發生疲勞，穩定性降低，內部會形成裂紋，在外載荷的不斷作用下裂紋會發生擴展和延伸，有可能導致結構的斷裂，從而影響整個采煤機工作的可靠性，故在進行采煤機截割系統的結構設計時需要對這兩處位置進行重點考慮研究。

圖3 滾筒外殼受力云圖

電機箱與傳動箱連接的位置如圖4(a)所示，外殼前端的加強筋位置如圖4(b)所示，對這兩個結構進行結構優化，從而提高其強度，此次將三角結構的厚度從30 mm增加至60 mm，將梯形結構的上下端厚度分別增大到25 mm和50 mm。對優化后的滾筒外殼進行仿真研究，得到外殼的受力特征如圖5所示，從圖5可以發現，進行結構優化后，電機箱與傳動箱連接的位置應力減小到215 MPa，外殼前端的加強筋位置應力減小到96 MPa，均處于材料的屈服強度以下，說明滾筒外殼工作的穩定性水平得到顯著提高。

圖4 滾筒外殼需要進行優化的結構

圖5 結構優化后滾筒外殼受力云圖

2 截割部外殼材料的可靠性研究

(1) 材料要求。采煤機截割部材料的選擇對保證截割系統工作的穩定性具有重要意義[3]。采煤機在運轉過程中，截割部外殼受到煤巖體的沖擊以及截割重力等作用，所受載荷主要分為拉壓應力、沖擊載荷和彎曲應力，故所選材料既要有較強的抗拉強度，還需要較大的韌度。

為了提高材料的強度和韌度，此次選擇材料為CrNiMo系調質鋼，該材料中的Cr和Ni具有較大的抗拉壓強度和韌度，在外載荷作用下的延伸率較高，Mo可提高回火的穩定性，使得材料在進行調質之后依然可以保持較好的力學特性。另一方面，滾筒外殼結構較為復雜，其內腔的不同位置壁厚各異，由于該材料的淬透性較強，在空淬條件下當冷卻速率較小時便可得到硬度較大的組織。

(2) 熱處理工藝?；谏鲜龇治?，選擇熱處理工藝為空淬+高溫回火，這樣既可保證獲得的材料力學強度達到要求，還可以避免在進行淬火時材料內部形成裂紋[4]。

溫度控制在870°~940°之間，時間為5 h左右，由于材料的淬透性較強，空淬后進行空冷；回火溫度控制在550°~650°之間，時間大約為7 h，完成后進行 空冷。

3 截割部外殼加工工藝的可靠性研究

(1) 加工路線和工藝。通過上述熱處理工藝，材料可以獲得達到力學特性要求的性能，然后進行機加工，一方面要保證傳動軸系間的精度，另一方面，由于截割部外殼形狀不規整，為了保證各行孔之間有加工基準，需要在外殼底部增加工藝墊，機加工結束后將其去除。再通過低溫回火將機加工形成的應力去除，從而改善外殼的機械特性，保證殼體的穩定性；最后進行精加工處理，這樣可以提高外殼表面的精度，保證加工工藝的質量，使之符合生產要求。

(2) 截割部外殼性能檢測。對鑄件進行力學性能測試，得到抗拉強度達到了700 MPa，延伸率為19%，斷面收縮率超過42%，與原有材料相比，其強度和韌度均得到顯著提高，彈塑性變形性能良好，各項指標達到預期目標。

4 結束語

采煤機長時間的工作，截割部外殼及其內部傳動系統的運行穩定性會減低，采煤機容易形成故障。本文對采煤機截割部外殼的可靠性進行了系統研究，認為電機箱與傳動箱連接的位置以及外殼前端的加強筋位置為應力集中位置，材料容易發生疲勞，當采煤機長期運行時，會影響整個采煤機工作的可靠性，需要進行結構優化；為了提高材料的強度和韌度，此次選擇材料為CrNiMo系調質鋼；為了保證加工工藝的質量，需要在熱處理后進行機加工和低溫回火處理。

[1] 劉雨博,劉思朔,喬美娜,張曉曼.采煤機截割部殼體熱-結構耦合分析及優化[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版),2016, 35(04):402?406.

[2] 趙麗娟,李 佳,田 震,車小賀.新型薄煤層采煤機截割部建模與仿真研究[J].機械傳動,2013,37(01):47?50.

[3] 馬聯偉.薄煤層采煤機可靠性與疲勞壽命研究[D].阜新:遼寧工程技術大學,2013.

[4] 劉曉輝,譚長均,陳俊鋒.采煤機截割部殼體振動特性分析[J]. 制造業自動化,2012,34(14):1?3.

[5] 趙麗娟,馬永志.基于多體動力學的采煤機截割部可靠性研究.煤炭學報[J].2009(09): 45?47.

(2018?11?26)

牛利君(1972—)，山西右玉人，助理工程師，研究方向井下機電，Email：lifeiyue111@126.com。