采煤機(jī)截割搖臂殼體的設(shè)計(jì)與性能分析

杜 煥

（大陽(yáng)泉煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

搖臂運(yùn)行過(guò)程中殼體受力情況復(fù)雜多變，其承受內(nèi)部組件重力的同時(shí)還要承受采煤沖擊載荷，因此對(duì)其機(jī)械性能要求極高[1-2]。常見(jiàn)的搖臂殼體故障形式有斷裂、軸孔變形或壓潰、整體變形等，一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)影響煤炭的采掘效率，給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失[3-4]。研究表明，國(guó)內(nèi)搖臂殼體的綜合機(jī)械性能落后于國(guó)外同等產(chǎn)品，經(jīng)常出現(xiàn)拉裂以及扭斷等問(wèn)題，制約了國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)的可靠性和效率[5]。世界上較為先進(jìn)的采煤機(jī)型號(hào)為MG900/2400-WD，其平均采高超過(guò)了3.6 m，工作面長(zhǎng)度超過(guò)了300 m，近水平工作面時(shí)的產(chǎn)煤量高于1 000 萬(wàn)t/年，割煤牽引速度高達(dá)17.5 m/min，搖臂殼體性能參數(shù)中抗拉強(qiáng)度≥700 MPa，屈服強(qiáng)度≥550 MPa[6]。基于上述性能目標(biāo)開(kāi)發(fā)新的采煤機(jī)搖臂殼體，對(duì)提高國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)的工作可靠性和技術(shù)水平具有重要意義。

1 搖臂結(jié)構(gòu)與功能

搖臂作為采煤機(jī)機(jī)身和滾筒可靠連接的重要組件，既起著支撐截割電機(jī)的作用，又是截割傳動(dòng)系統(tǒng)的箱體。采煤作業(yè)時(shí)采煤機(jī)滾筒高度的調(diào)整功能主要由搖臂的擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也是截割滾筒驅(qū)動(dòng)力矩的主要傳動(dòng)裝置，因此必須保證搖臂具有足夠的強(qiáng)度、剛度和可靠性，才能確保采煤機(jī)的正常工作運(yùn)行。圖1 為采煤機(jī)截割搖臂的外形結(jié)構(gòu)，其具體功能如下：為截割滾筒傳遞動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)截割滾筒按照指定參數(shù)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；接收驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的高速低扭矩運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行降速增扭，適應(yīng)復(fù)雜煤層截割的動(dòng)力要求；適時(shí)調(diào)整采煤機(jī)截割滾筒的位姿狀態(tài)，并使其保持在適當(dāng)?shù)奈恢谩?/p>

圖1 采煤機(jī)截割搖臂的外形結(jié)構(gòu)

2 搖臂殼體設(shè)計(jì)

提高截割搖臂的強(qiáng)度和抗沖擊載荷的能力，必須保證搖臂殼體具有很好的綜合力學(xué)性能，即不僅需要具有較好的強(qiáng)度，還要具有不錯(cuò)的韌塑性。目前國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)截割搖臂殼體材料應(yīng)用時(shí)存在明顯的強(qiáng)度和硬度不足的情況，難易適應(yīng)高強(qiáng)度采煤和惡劣工況條件，嚴(yán)重限制了煤炭企業(yè)的產(chǎn)能。筆者擬從搖臂殼體材料體系、熱處理方法、鑄造工藝等方面進(jìn)行把控，以期制造得到機(jī)械性能優(yōu)良的大功率采煤機(jī)搖臂殼體。

2.1 搖臂殼體材料

采煤機(jī)殼體材料的結(jié)構(gòu)尺寸較大、形狀多變，通常采用鑄鋼件進(jìn)行加工制造，而采煤機(jī)截割搖臂殼體的設(shè)計(jì)與應(yīng)用對(duì)于自重和結(jié)構(gòu)尺寸要求較為嚴(yán)格，不能簡(jiǎn)單通過(guò)增加壁厚的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，應(yīng)從其制備材料根本出發(fā)開(kāi)展工作。充分考慮合金元素在鋼材中的作用和溶解度、熱處理工藝、焊接性和加工性等，確定選擇Cr-Ni-Mo 系鑄鋼，材料牌號(hào)為ZG30CrNiMo。

2.2 殼體鑄造

查閱相關(guān)資料得到采煤機(jī)截割搖臂殼體鑄造常用立澆方案、兩開(kāi)箱造型，澆筑時(shí)電機(jī)軸孔為上型面，齒輪腔中間部分為分型面，使用搖臂殼體整體實(shí)樣與組芯結(jié)合的造型方式進(jìn)行開(kāi)模，以便確保殼體鑄造的質(zhì)量及尺寸精度，使用特殊的鑄造沙作為砂芯。結(jié)合實(shí)際鑄造工藝參數(shù)，鑄造過(guò)程中縮尺比例為1.5%，殼體上表面加工余量為15 mm，下面和側(cè)面的加工余量為10 mm。殼體澆筑時(shí)均勻澆灌，盡量保證模型內(nèi)部熱量分布均勻，在澆注時(shí)，盡量使熱量分布均勻，設(shè)置許多的內(nèi)澆口靠近鑄件的兩端，并對(duì)鑄造圓角作了明確的規(guī)定，從而防止鑄造裂紋的產(chǎn)生。

2.3 熱處理工藝

采煤機(jī)截割搖臂殼體材料ZG30CrNiMo 中含有較多的合金元素，如Ni、Cr、Mo 等，在熱處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的鉻碳化物和鉬碳化物等，其對(duì)材料的力學(xué)性能影響極為顯著。材料組織中合適含量和粒度的鉻鉬碳化物可以提高合金鋼的強(qiáng)度和硬度，并保持較好的沖擊韌性，獲得較好的綜合力學(xué)性能。查閱文獻(xiàn)資料確定了截割搖臂殼體材料的熱處理工藝如下：截割搖臂殼體鑄件毛坯加工前進(jìn)行一次正火處理，冷卻方式為空冷，之后進(jìn)行兩次高溫回火；截割搖臂殼體鑄件粗加工后再進(jìn)行一次正火冷卻方式為空冷，之后進(jìn)行一次高溫回火；半精加工前焊接水套，焊后消應(yīng)力回火處理。通過(guò)對(duì)熱處理之后的殼體材料樣件進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)可得各項(xiàng)指標(biāo)如下：抗拉強(qiáng)度≥700 MPa，屈服強(qiáng)度≥600 MPa，室溫沖擊韌性≥70 J，能夠滿(mǎn)足采煤機(jī)搖臂殼體材料力學(xué)性能的要求，達(dá)到了世界搖臂殼體材料的水平。

3 仿真分析

應(yīng)用自主設(shè)計(jì)的ZG30CrNiMo 材料，完成鑄造和熱處理工藝過(guò)程即可進(jìn)行采煤機(jī)搖臂殼體的機(jī)加工，之后借助ANSYS 有限元仿真計(jì)算軟件開(kāi)展搖臂殼體的強(qiáng)度分析，以便驗(yàn)證新材質(zhì)搖臂殼體的強(qiáng)度是否能夠達(dá)到國(guó)際水平。

3.1 有限元模型建立

應(yīng)用SolidWorks 軟件完成搖臂殼體三維模型的建立，忽略對(duì)搖臂殼體強(qiáng)度分析影響不大的倒角、圓角等因素，之后另存為.igs 格式文件，倒入ANSYS 仿真計(jì)算軟件進(jìn)行前處理。首先對(duì)采煤機(jī)搖臂殼體進(jìn)行材料屬性設(shè)置，材料屬性參數(shù)如下：抗拉強(qiáng)度為700 MPa，彈性模量為211 MPa，密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3。為了提高網(wǎng)格劃分的速度和仿真計(jì)算效率，采用自由劃分網(wǎng)格的方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元類(lèi)型選擇四面體，設(shè)置完成之后即啟動(dòng)網(wǎng)格劃分功能，見(jiàn)圖2。網(wǎng)格劃分完成之后進(jìn)行搖臂殼體載荷和約束的添加，研究表明在采煤機(jī)搖臂與水平面成最大角度時(shí)，搖臂承受的外載荷最大，基于此，對(duì)搖臂殼體進(jìn)行受力分析，在搖臂與滾筒連接法蘭盤(pán)的內(nèi)徑面位置徑向載荷，在法蘭盤(pán)上施加軸向載荷。約束條件如下：搖臂下端的兩個(gè)鉸孔1 施加固定約束、鉸孔2 面施加Z 軸約束。

圖2 采煤機(jī)截割搖臂殼體有限元仿真模型

3.2 分析結(jié)果

采煤機(jī)搖臂殼體作為搖臂功能正常實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部件，其強(qiáng)度好壞直接關(guān)系著搖臂殼體工作的可靠性，關(guān)系著煤炭企業(yè)的產(chǎn)能和效率。通過(guò)有限元靜力學(xué)仿真分析，得到采煤機(jī)搖臂殼體的應(yīng)力分布云圖，對(duì)于驗(yàn)證設(shè)計(jì)得到的截割搖臂殼體的合理性具有重要意義。如圖3 所示截割搖臂殼體承載最大時(shí)的von-mises 應(yīng)力分布云圖，可以看出搖臂殼體工作過(guò)程中的應(yīng)力最大值為93 MPa，處于搖臂的下端鉸接孔的位置；法蘭盤(pán)根部也存在較大的應(yīng)力值，其數(shù)值大小為72 MPa；除此之外搖臂殼體的其他位置的應(yīng)力數(shù)值較小，大約處于20 MPa，且分布較為均勻。在搖臂殼體材料的力學(xué)性能中，屈服強(qiáng)度數(shù)值不小于600 MPa，相較于殼體最大的應(yīng)力數(shù)值72 MPa，具有足夠的安全裕度，能夠保證搖臂殼體可靠穩(wěn)定工作。

圖3 采煤機(jī)截割搖臂殼體應(yīng)力分布云圖

4 結(jié)論

1）對(duì)采煤機(jī)截割搖臂殼體的設(shè)計(jì)與性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明，自主設(shè)計(jì)的ZG30CrNiMo 材料在合適的鑄造和熱處理工藝下力學(xué)性能如下：抗拉強(qiáng)度≥700 MPa，屈服強(qiáng)度≥600 MPa，室溫沖擊韌性≥70 J，達(dá)到了世界搖臂殼體材料的水平。

2）應(yīng)用ANSYS 仿真計(jì)算軟件分析該材料屬性下?lián)u臂殼體的強(qiáng)度，結(jié)果表明，最大應(yīng)力僅為93 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度600 MPa，具有足夠的安全裕度，能夠保證搖臂殼體可靠穩(wěn)定工作的要求。