采煤機截割搖臂殼體的設計與性能分析

杜 煥

（大陽泉煤炭有限責任公司，山西 陽泉 045000）

引言

搖臂運行過程中殼體受力情況復雜多變，其承受內部組件重力的同時還要承受采煤沖擊載荷，因此對其機械性能要求極高[1-2]。常見的搖臂殼體故障形式有斷裂、軸孔變形或壓潰、整體變形等，一旦出現故障，將會影響煤炭的采掘效率，給企業造成較大的經濟損失[3-4]。研究表明，國內搖臂殼體的綜合機械性能落后于國外同等產品，經常出現拉裂以及扭斷等問題，制約了國產采煤機的可靠性和效率[5]。世界上較為先進的采煤機型號為MG900/2400-WD，其平均采高超過了3.6 m，工作面長度超過了300 m，近水平工作面時的產煤量高于1 000 萬t/年，割煤牽引速度高達17.5 m/min，搖臂殼體性能參數中抗拉強度≥700 MPa，屈服強度≥550 MPa[6]。基于上述性能目標開發新的采煤機搖臂殼體，對提高國產采煤機的工作可靠性和技術水平具有重要意義。

1 搖臂結構與功能

搖臂作為采煤機機身和滾筒可靠連接的重要組件，既起著支撐截割電機的作用，又是截割傳動系統的箱體。采煤作業時采煤機滾筒高度的調整功能主要由搖臂的擺動實現，同時也是截割滾筒驅動力矩的主要傳動裝置，因此必須保證搖臂具有足夠的強度、剛度和可靠性，才能確保采煤機的正常工作運行。圖1 為采煤機截割搖臂的外形結構，其具體功能如下：為截割滾筒傳遞動力，驅動截割滾筒按照指定參數進行旋轉運動；接收驅動電機輸出的高速低扭矩運動，進行降速增扭，適應復雜煤層截割的動力要求；適時調整采煤機截割滾筒的位姿狀態，并使其保持在適當的位置。

圖1 采煤機截割搖臂的外形結構

2 搖臂殼體設計

提高截割搖臂的強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性能，即不僅需要具有較好的強度，還要具有不錯的韌塑性。目前國產采煤機截割搖臂殼體材料應用時存在明顯的強度和硬度不足的情況，難易適應高強度采煤和惡劣工況條件，嚴重限制了煤炭企業的產能。筆者擬從搖臂殼體材料體系、熱處理方法、鑄造工藝等方面進行把控，以期制造得到機械性能優良的大功率采煤機搖臂殼體。

2.1 搖臂殼體材料

采煤機殼體材料的結構尺寸較大、形狀多變，通常采用鑄鋼件進行加工制造，而采煤機截割搖臂殼體的設計與應用對于自重和結構尺寸要求較為嚴格，不能簡單通過增加壁厚的方法進行優化設計，應從其制備材料根本出發開展工作。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，材料牌號為ZG30CrNiMo。

2.2 殼體鑄造

查閱相關資料得到采煤機截割搖臂殼體鑄造常用立澆方案、兩開箱造型，澆筑時電機軸孔為上型面，齒輪腔中間部分為分型面，使用搖臂殼體整體實樣與組芯結合的造型方式進行開模，以便確保殼體鑄造的質量及尺寸精度，使用特殊的鑄造沙作為砂芯。結合實際鑄造工藝參數，鑄造過程中縮尺比例為1.5%，殼體上表面加工余量為15 mm，下面和側面的加工余量為10 mm。殼體澆筑時均勻澆灌，盡量保證模型內部熱量分布均勻，在澆注時，盡量使熱量分布均勻，設置許多的內澆口靠近鑄件的兩端，并對鑄造圓角作了明確的規定，從而防止鑄造裂紋的產生。

2.3 熱處理工藝

采煤機截割搖臂殼體材料ZG30CrNiMo 中含有較多的合金元素，如Ni、Cr、Mo 等，在熱處理過程中會產生大量的鉻碳化物和鉬碳化物等，其對材料的力學性能影響極為顯著。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度和硬度，并保持較好的沖擊韌性，獲得較好的綜合力學性能。查閱文獻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行一次正火處理，冷卻方式為空冷，之后進行兩次高溫回火；截割搖臂殼體鑄件粗加工后再進行一次正火冷卻方式為空冷，之后進行一次高溫回火；半精加工前焊接水套，焊后消應力回火處理。通過對熱處理之后的殼體材料樣件進行力學性能檢測可得各項指標如下：抗拉強度≥700 MPa，屈服強度≥600 MPa，室溫沖擊韌性≥70 J，能夠滿足采煤機搖臂殼體材料力學性能的要求，達到了世界搖臂殼體材料的水平。

3 仿真分析

應用自主設計的ZG30CrNiMo 材料，完成鑄造和熱處理工藝過程即可進行采煤機搖臂殼體的機加工，之后借助ANSYS 有限元仿真計算軟件開展搖臂殼體的強度分析，以便驗證新材質搖臂殼體的強度是否能夠達到國際水平。

3.1 有限元模型建立

應用SolidWorks 軟件完成搖臂殼體三維模型的建立，忽略對搖臂殼體強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 仿真計算軟件進行前處理。首先對采煤機搖臂殼體進行材料屬性設置，材料屬性參數如下：抗拉強度為700 MPa，彈性模量為211 MPa，密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3。為了提高網格劃分的速度和仿真計算效率，采用自由劃分網格的方法進行網格劃分，網格單元類型選擇四面體，設置完成之后即啟動網格劃分功能，見圖2。網格劃分完成之后進行搖臂殼體載荷和約束的添加，研究表明在采煤機搖臂與水平面成最大角度時，搖臂承受的外載荷最大，基于此，對搖臂殼體進行受力分析，在搖臂與滾筒連接法蘭盤的內徑面位置徑向載荷，在法蘭盤上施加軸向載荷。約束條件如下：搖臂下端的兩個鉸孔1 施加固定約束、鉸孔2 面施加Z 軸約束。

圖2 采煤機截割搖臂殼體有限元仿真模型

3.2 分析結果

采煤機搖臂殼體作為搖臂功能正常實現的關鍵部件，其強度好壞直接關系著搖臂殼體工作的可靠性，關系著煤炭企業的產能和效率。通過有限元靜力學仿真分析，得到采煤機搖臂殼體的應力分布云圖，對于驗證設計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的von-mises 應力分布云圖，可以看出搖臂殼體工作過程中的應力最大值為93 MPa，處于搖臂的下端鉸接孔的位置；法蘭盤根部也存在較大的應力值，其數值大小為72 MPa；除此之外搖臂殼體的其他位置的應力數值較小，大約處于20 MPa，且分布較為均勻。在搖臂殼體材料的力學性能中，屈服強度數值不小于600 MPa，相較于殼體最大的應力數值72 MPa，具有足夠的安全裕度，能夠保證搖臂殼體可靠穩定工作。

圖3 采煤機截割搖臂殼體應力分布云圖

4 結論

1）對采煤機截割搖臂殼體的設計與性能進行分析，結果表明，自主設計的ZG30CrNiMo 材料在合適的鑄造和熱處理工藝下力學性能如下：抗拉強度≥700 MPa，屈服強度≥600 MPa，室溫沖擊韌性≥70 J，達到了世界搖臂殼體材料的水平。

2）應用ANSYS 仿真計算軟件分析該材料屬性下搖臂殼體的強度，結果表明，最大應力僅為93 MPa，遠遠小于材料的屈服強度600 MPa，具有足夠的安全裕度，能夠保證搖臂殼體可靠穩定工作的要求。