自適應(yīng)導(dǎo)向滑靴的優(yōu)化設(shè)計研究

周利軍

摘 要：為了解決采煤機導(dǎo)向滑靴在鑄造過程中容易出現(xiàn)缺陷等問題，本文利用proCAST模擬軟件對采煤機導(dǎo)向滑靴進行鑄造和固凝過程進行了研究與分析，通過對滑靴固凝過程的分析預(yù)測鑄件的固凝過程容易出現(xiàn)的缺陷和缺陷產(chǎn)生的位置情況，為鑄造過程提供理論的指導(dǎo)和有效的預(yù)測，減少了避免鑄造過程中出現(xiàn)的缺陷問題。

關(guān)鍵詞：模擬軟件;固凝過程;滑靴;采煤機

1 前言

采煤機作為我國礦山開采的主要機械設(shè)備，其工作年限和使用壽命便成為了礦山開采的命門，此前眾多學(xué)者對采煤機的壽命和采煤機工況下的結(jié)構(gòu)磨損情況作出了研究。趙友軍等人[1]綜合了采煤機工況研究，并結(jié)合了材料、結(jié)構(gòu)等方面對采煤機的磨損進行了一定的分析，為采煤機的設(shè)計優(yōu)化提供了一定的理論指導(dǎo)。丁永成[2]同樣通過仿真模擬對采煤機的搖臂升降液壓系統(tǒng)進行分析，提出合理的抗衡閥可有效的降低搖臂液壓系統(tǒng)的壓力損失，對采煤機的搖臂進行了改進。本文以采煤機的滑靴為研究對象，利用proCAST和ANSYS軟件對采煤機的滑靴進行鑄造分析和工況下的受力分析，為采煤機的滑靴鑄造提供了一定的依據(jù)。

2 采煤機滑靴工況受力分析

本文采用Pro-E模擬軟件對采煤機的導(dǎo)向滑靴進行模擬分析，將在Pro-E模擬軟件中建立的三維采煤機導(dǎo)向滑靴導(dǎo)入到ANSYS模擬軟件中，進行有限元分析的力學(xué)模型建立，隨后進行模擬參數(shù)的設(shè)定，因為采煤機的滑靴一般都是采用鑄鋼為材料，所以本文模擬的材料屬性選擇為鑄鋼，彈性模量選擇為2.1*105MPa，泊松比選擇設(shè)置為0.27，參考采煤機的力學(xué)參數(shù)，將采煤機工作狀態(tài)下的水平最大摩擦力設(shè)置為420kN，垂直方向上的最大摩擦力設(shè)置為120kN，采煤機的導(dǎo)向滑靴與行走系統(tǒng)的行走箱軸孔連接，所以可以設(shè)置為固定面，限制其位移，設(shè)置完成后的對模型進行網(wǎng)格的劃分，并對受力較為集中的部位進行細化分，選用靜態(tài)求解器，對采煤機導(dǎo)向滑靴模型進行靜力學(xué)分析，經(jīng)過模擬可以得到如圖1的云圖，從圖2的云圖可以看出模型的應(yīng)力集中現(xiàn)象主要集中在滑靴的銷軸孔和耐磨面上，應(yīng)力集中現(xiàn)象無疑會引起滑靴的破壞和磨損，應(yīng)盡量減小應(yīng)力集中現(xiàn)象。從結(jié)果也可以看出采煤機的導(dǎo)向滑靴的最大應(yīng)力值達到了298MPa，但經(jīng)過仔細觀察后可以發(fā)現(xiàn)，其實采煤機導(dǎo)向滑靴受到的最大的應(yīng)力可能是虛應(yīng)力，所以在考慮滑靴受力情況時可以忽略這樣的虛力，選擇剩余部分的力進行參考和分析，采煤機的導(dǎo)向滑靴受到的里主要分布在銷軸孔和軌道的接觸面上，所以對此部分的優(yōu)化是十分有必要的。

3 采煤機滑靴固凝研究分析

本文選取的采煤機導(dǎo)向滑靴的材料為ZG35CrMnSi（一種較為常用的結(jié)構(gòu)鋼，強度較大，耐磨性能較好）。選用高溫淬火和回火工藝對采煤機導(dǎo)向滑靴進行鑄造。

冒口設(shè)計是鑄造的重要環(huán)節(jié)組成部分，冒口的設(shè)計有助于防止金屬液冷卻后縮孔造成的試件致密性大打折扣，使鑄造的試件性能得到更好的發(fā)揮，所以在設(shè)計冒口的時候應(yīng)該充分考慮到冒口的布置位置，因為冒口承載著同時澆注以及內(nèi)外冷鐵等工藝，所以冒口的設(shè)計應(yīng)當(dāng)盡量避開鑄件的熱節(jié)，同時考慮到冒口的設(shè)計應(yīng)該考慮到幾何尺寸的影響，冒口只能在一定的工作有效范圍內(nèi)才能發(fā)揮應(yīng)有的作用，所以控制好冒口之間的距離也是冒口位置布置的重中之重;其次冒口在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)充分考慮到冒口的大小尺寸，只有冒口的尺寸合理才能提供足夠的液缸，同時當(dāng)冒口的尺寸太大后，鑄件底部的液缸會達不到標準的要求的精度;冒口設(shè)計時應(yīng)充分考慮到鑄液完成后的清理工作，冒口設(shè)計的優(yōu)化可有效的降低鑄件的成本。

本文對采煤機導(dǎo)向滑靴的設(shè)計應(yīng)首先將導(dǎo)向滑靴進行網(wǎng)格劃分，后導(dǎo)入到proCAST軟件中，對鑄件的凝固過程進行分析，根據(jù)溫度場的變化，分析導(dǎo)向靴的熱節(jié)位置情況。圖2為導(dǎo)向滑靴溫度分布圖。

從上圖2的（a）可以看出，當(dāng)運行到70步的時候，銷軸孔周邊的溫度分布較高，為液相區(qū)，且高溫分布的面積較大，但可以看出耳板附近已經(jīng)開始形成凝固的固相，而在鑄件進行凝固的過程中，銷軸孔的周邊開始發(fā)展成孤立的液相區(qū)，當(dāng)鋼水開始凝固，受到熱脹冷縮的作用，鋼水開始收縮體積減小，此時的鋼水收縮受到試件外殼的阻力作用難以收縮，此時就形成了銷軸孔周邊的凹凸缺陷。

根據(jù)圖2的（b）圖可以看出，當(dāng)進入到230步時，采煤機導(dǎo)向滑靴已經(jīng)基本完成凝固，滑靴的底部由于受到重力作用最先完成凝固，液鋼已經(jīng)完成底部鑄造，液相線開始慢慢向模型的上表面移動，模型的凝固程度開始變大，但考慮到滑靴的倆段厚度較大，中段的耳板設(shè)計成空腔的結(jié)構(gòu)，所以原本相互銜接的液鋼開始產(chǎn)生分叉，在較厚的區(qū)域形成孤立的液相區(qū)，當(dāng)剩余部位的液鋼完全凝固后，液鋼的聯(lián)通也被阻隔，孤立的液相區(qū)沒有得到鑄造，所以鑄件的孤立液相區(qū)產(chǎn)生收縮，造成模型的鑄造缺陷。隨著，步數(shù)的不斷增加滑靴的上部仍存在著明顯的孤立液相區(qū)，區(qū)域的顏色較深，對應(yīng)的固相率較低，從云圖可以看出此區(qū)域的顏色為灰色（固相率達到0.8）。當(dāng)鑄件的液鋼開始凝固的時候，滑靴的上部最后完成凝固。根據(jù)經(jīng)驗可知一般鑄件最終的凝固區(qū)容易形成熱節(jié)，一般熱節(jié)形成的區(qū)域容易形成縮孔區(qū)。所以在考慮鑄件時首先考慮到較厚區(qū)域的澆注情況。

采煤機導(dǎo)向滑靴作為采煤機的關(guān)鍵部位，所以本文以鑄造凝固理論為研究基礎(chǔ)，對實際生產(chǎn)前的采煤機導(dǎo)向滑靴的缺陷進行分析，為鑄造工藝提供了理論指導(dǎo)。

4 結(jié)論

本文以采煤機導(dǎo)向滑靴的鑄造過程為研究對象，并利用proCAST軟件為研究工具，對鑄造過程的溫度場等作出了研究得到了如下的結(jié)論：

①利用pro-E建模軟件對采煤機導(dǎo)向滑靴進行建模，并導(dǎo)入到ANSYS模擬軟件中研究了工作狀態(tài)下的采煤機導(dǎo)向滑靴的受力情況，導(dǎo)出云圖確定了上下耳板和耐磨面的上端部為應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力較大;

②根據(jù)冒口的設(shè)計規(guī)律對冒口設(shè)計進行了理論分析，并通過proCAST軟件對模型容易產(chǎn)生收縮缺陷的部位進行分析與預(yù)測。通過模擬軟件的分析，和對凝固過程中的溫度場進行研究，發(fā)現(xiàn)了上下耳板弧形端口區(qū)域和冒口之間的區(qū)域易發(fā)生縮孔缺陷，造成鑄件未達到鑄造的精度。

參考文獻：

[1]趙友軍，李鈺.滾筒采煤機外部磨損耐磨技術(shù)研究與發(fā)展趨勢[J].煤炭技術(shù)，2018，37（08）：224-226.

[2]丁永成.采煤機搖臂升降液壓系統(tǒng)仿真分析及優(yōu)化[J].煤炭工程，2018，50（02）：145-147.