關(guān)于提高采礦機(jī)械強(qiáng)度與耐久性的研究

馮　戎

（山西西山煤電集團(tuán)鉆探分公司，山西　太原　030053）

引言

為了對(duì)采礦機(jī)械和自動(dòng)化機(jī)組提高采礦機(jī)械的強(qiáng)度與耐久性研究加以說(shuō)明，本文所選用的采煤機(jī)搖臂殼體與支架液壓系統(tǒng)都是與采煤機(jī)的使用性能及使用耐久性直接相關(guān)的設(shè)備。前者是承擔(dān)采煤機(jī)搖臂傳動(dòng)系統(tǒng)的骨架，其強(qiáng)度影響傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，后者是為采煤機(jī)支架提供動(dòng)力與支撐的關(guān)鍵，其耐久性與采煤機(jī)的采煤作業(yè)時(shí)間及效率息息相關(guān)。

1　提高采煤機(jī)搖臂殼體強(qiáng)度的研究

針對(duì)現(xiàn)有常規(guī)采煤機(jī)搖臂殼體由于強(qiáng)度不足而容易變形導(dǎo)致傳動(dòng)系統(tǒng)易發(fā)生故障的情況，著重討論對(duì)于采煤機(jī)搖臂殼體的改進(jìn)方法，具體包括殼體材料、鑄造與加工工藝與過(guò)程檢驗(yàn)等方式，提高搖臂殼體的機(jī)械性能與使用強(qiáng)度[1]。

1.1　材料選擇

現(xiàn)階段我國(guó)采煤機(jī)的搖臂殼體材料大多會(huì)采用ZG279-500等碳素鋼化材料或合金鋼材料，這種材料具有良好的可鑄造性與可焊接性，但材料的強(qiáng)度并不理想，尤其是屈服強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度無(wú)法滿足我國(guó)煤炭開(kāi)采對(duì)于采煤機(jī)搖臂強(qiáng)度性能的需要。而高強(qiáng)度采煤機(jī)搖臂采用高強(qiáng)度合金鋼材料，含有鎳、鉻、鉬等金屬元素，并且對(duì)材料中的硫與磷等礦物元素加以控制，使材料達(dá)到了優(yōu)質(zhì)合金鋼的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于材料采用熱處理方法，可以提高其耐磨性與機(jī)械性能，滿足我國(guó)煤炭開(kāi)采對(duì)于采煤機(jī)搖臂強(qiáng)度的需求。

1.2　制作與澆鑄工藝

采煤機(jī)搖臂殼體，其砂型使用了鉻鐵礦面砂及樹(shù)脂粘結(jié)劑，這兩種材料能夠滿足大型澆鑄鋼材料構(gòu)件的強(qiáng)度要求，而樹(shù)脂粘結(jié)劑還能夠確保材料尺寸的精確性，提高殼體的表面質(zhì)量，減少澆鑄過(guò)程中材料廢棄的幾率。而所采用的鉻鐵礦具有中性耐火性能，能夠規(guī)避機(jī)械粘砂與裂縫等生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，提高材料的凝固性。采煤機(jī)的搖臂具有十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，尤其在電機(jī)安裝孔竅的位置，具有較大的橫向、縱向尺寸與厚度，搖臂的流動(dòng)性能較差，殼體的生產(chǎn)過(guò)程中很容易產(chǎn)生材料的裂縫與氣泡情況。為了減少這種情況的產(chǎn)生，在正式鑄造之前，需要利用計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)進(jìn)行澆鑄模擬，通過(guò)直觀化與可視化方法來(lái)明確材料澆鑄過(guò)程，明確澆鑄通道是否存在堵塞情況以及是否會(huì)產(chǎn)生材質(zhì)疏松與縮孔問(wèn)題。

在進(jìn)行采煤機(jī)搖臂殼體澆鑄過(guò)程中，需要嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)定與參數(shù)規(guī)范，對(duì)冒口與定位塊幾何尺寸加以規(guī)范，明確拔模斜度與冷鐵位置等技術(shù)數(shù)據(jù)，采取有效手段來(lái)確保殼體澆鑄的質(zhì)量及效果：第一，在臨近材料澆鑄的兩端位置加設(shè)一定數(shù)量的內(nèi)澆口，快速對(duì)殼體材料進(jìn)行澆鑄，確保熱能能夠均勻分布，避免殼體產(chǎn)生裂縫；第二，在澆鑄過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)以型芯來(lái)制作排氣通道，以沙箱制作排氣孔，以樹(shù)脂砂作為背砂，以泥芯圓角部位施加10～20mm左右的鉻鐵礦砂，避免材料澆鑄過(guò)程中出現(xiàn)氣孔，影響搖臂殼體的使用性能；第三，為了確保殼體材料澆鑄質(zhì)量不受影響，需要對(duì)澆冒口系統(tǒng)進(jìn)行合理布設(shè)，在殼體壁厚處架設(shè)外冷鐵，使外冷鐵的接觸鋼光滑平整，避免接觸鋼產(chǎn)生銹蝕情況，嚴(yán)格遵循加工工藝的實(shí)際要求進(jìn)行布設(shè)與排放，在毛坯面敷設(shè)5～8mm左右厚度的砂體，加工面與150mm左右的冷鐵相接觸；第四，應(yīng)當(dāng)對(duì)分箱面進(jìn)行謹(jǐn)慎挑選，確保型芯的緊實(shí)度與材料尺寸能夠滿足殼體的要求，并確保其精度。

1.3　澆鑄與熱處理

殼體材料的澆鑄，需要避免由于鋼水不足而影響其出品率，避免由于冒口的補(bǔ)縮不足而導(dǎo)致澆鑄問(wèn)題。在完成澆鑄之后，需要進(jìn)行至少96 h的保溫，這是由于以樹(shù)脂砂替代了傳統(tǒng)石英砂的緣故。落砂后的材料需要放在無(wú)風(fēng)的環(huán)境下，并在適當(dāng)時(shí)進(jìn)行正火熱處理。在正火之前，澆鑄口與冒口需要在300～350℃左右的環(huán)境下進(jìn)行切割，以確保材料的機(jī)械性能能夠滿足使用要求。對(duì)于殼體的熱處理是確保其強(qiáng)度與使用性能的關(guān)鍵性加工環(huán)節(jié)，要將處理的正火溫度嚴(yán)格控制在850～950℃的區(qū)間范圍之內(nèi)，進(jìn)行4～6 h的保溫處理，確保材料能夠?qū)崿F(xiàn)充分的奧氏體化，避免材料晶粒粗大的情況。經(jīng)過(guò)熱處理的搖臂殼體材料，其淬透性十分出色，在出爐之后還需進(jìn)行空冷處理。材料處理結(jié)束后，還要對(duì)其進(jìn)行檢查，確保材料外觀沒(méi)有肉眼可見(jiàn)的裂縫，并對(duì)殼體進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)。

1.4　殼體加工與檢驗(yàn)

采煤機(jī)材料的搖臂殼體屬于不規(guī)則形狀，在加工中也沒(méi)有具體標(biāo)準(zhǔn)，不同軸孔間的精度與形位公差要求達(dá)到了7級(jí)以上，正因如此，在進(jìn)行加工工藝的制定時(shí)，應(yīng)當(dāng)綜合考量幾何尺寸形位精度等方面的因素。具體加工前，在殼體材料的底面增加補(bǔ)焊了墊鐵，其要在加工之后及時(shí)去除，以此來(lái)確保每一個(gè)軸孔間的加工基準(zhǔn)精確統(tǒng)一。在完成焊接之后，需要對(duì)鑄件進(jìn)行回火處理，這是消除由于加工而產(chǎn)生應(yīng)力的重要環(huán)節(jié)，以此來(lái)提高加工性能，確保殼體材料的機(jī)械性能與使用強(qiáng)度。出于檢測(cè)材料密封性的需要，對(duì)搖臂殼體齒輪油腔進(jìn)行了保壓試驗(yàn)，將保壓設(shè)定在0.5MPa，要求材料在30min內(nèi)不得出現(xiàn)滲漏情況，才算合格。對(duì)內(nèi)外水道進(jìn)行打水壓與保壓試驗(yàn)，要求內(nèi)噴霧在12MPa的情況下，材料至少保持5min無(wú)滲漏情況；外噴霧在3.5MPa的情況下，至少保持5min不得出現(xiàn)滲漏情況。此外，還需對(duì)殼體材料的關(guān)鍵部位進(jìn)行超聲波或磁粉探查，以明確殼體是否存在損傷或裂縫[2]。

2　采煤機(jī)支架液壓系統(tǒng)耐久性的研究

2.1　抬底液壓系統(tǒng)的常見(jiàn)問(wèn)題

抬底液壓系統(tǒng)是常見(jiàn)的采煤機(jī)支架液壓系統(tǒng)，在使用過(guò)程中，若周邊圍巖環(huán)境為底板較軟的黏土巖類的泥質(zhì)頁(yè)巖或遇到水體就會(huì)軟化的石灰?guī)r，當(dāng)遇水時(shí)，抬底液壓系統(tǒng)容易產(chǎn)生支架底座全段底板比壓最小值超過(guò)底板抗壓入強(qiáng)度而致使支架底座前端下陷的情況，致使液壓系統(tǒng)無(wú)法移駕，而抬底液壓系統(tǒng)能夠使下陷的支架前端順利抬起，如圖1所示。

圖1　抬底液壓支架系統(tǒng)的原理

抬底液壓支架系統(tǒng)中使用的千斤頂，其小腔使用了單向鎖進(jìn)行保壓閉鎖，這種方式能夠滿足抬底液壓系統(tǒng)的使用要求，但部分生產(chǎn)廠商在加工過(guò)程中，會(huì)將千斤頂?shù)拇笄槐洪]鎖，容易使抬底液壓系統(tǒng)的定量、立柱、千斤頂與底座的受到破壞。經(jīng)研究與分析可知液壓支架系統(tǒng)在工作時(shí)通常采用擦頂移駕的方式，具體的使用工藝為：降柱—抬底—移駕—收底與抬底—升柱，但在收底與抬底的過(guò)程中，如果工作人員和沒(méi)有進(jìn)行收底與抬底，或者收底工作沒(méi)有到位，就會(huì)導(dǎo)致支架底座前段與底板相分離，這時(shí)如果工作人員進(jìn)行升柱，就會(huì)產(chǎn)生底座前端的下陷情況。由于某些廠家使抬底千斤頂大腔單向鎖閉鎖，則前段在地板上呈現(xiàn)虛撐姿態(tài)，此時(shí)液壓系統(tǒng)就會(huì)對(duì)定量、立柱、千斤頂與底座產(chǎn)生應(yīng)力，甚至?xí)?dǎo)致這些元件由于應(yīng)力的作用而永久性損壞，通常表現(xiàn)為，支架液壓系統(tǒng)底座結(jié)構(gòu)前段的安裝座焊接縫開(kāi)裂及抬底千斤頂在外部應(yīng)力作用下發(fā)生損壞。

2.2　液壓系統(tǒng)優(yōu)化措施

對(duì)于采煤機(jī)抬底支架液壓系統(tǒng)的優(yōu)化，主要在于減少抬底千斤頂與支架推移結(jié)構(gòu)之間由于相互作用而產(chǎn)生的摩擦力，例如，通過(guò)加工使抬底千斤頂活塞桿的最前端呈現(xiàn)為大圓弧狀，或者避免推桿結(jié)構(gòu)件與抬底千斤頂相接觸的部位出現(xiàn)焊接縫，這些優(yōu)化方式能夠避免在特殊條件下，支架液壓系統(tǒng)關(guān)鍵不穩(wěn)的損傷。另外，在避免活塞桿出現(xiàn)彎曲的條件下，可以減少系統(tǒng)中的液控單向鎖、膠管結(jié)構(gòu)與U形銷等元件，在確保系統(tǒng)使用性能的基礎(chǔ)上，對(duì)抬底支架液壓系統(tǒng)加以簡(jiǎn)化，能夠減少相關(guān)元件出現(xiàn)損壞的概率[3]。

3　結(jié)語(yǔ)

對(duì)于采煤機(jī)搖臂殼體強(qiáng)度的優(yōu)化，應(yīng)調(diào)整殼體使用的材料，選用強(qiáng)度較高的優(yōu)質(zhì)合金鋼，并合理制定加工工藝流程，嚴(yán)格按照加工工藝規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工，避免裂縫及氣孔的產(chǎn)生。在完成全部加工流程之后，還需對(duì)搖臂殼體進(jìn)行保壓與滲透試驗(yàn)。而對(duì)于支架液壓系統(tǒng)的優(yōu)化，需要減少千斤頂與支架結(jié)構(gòu)間的作用力，可以通過(guò)加工活塞桿或減少小附件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

[1]茍苛，劉鵬.大功率采煤機(jī)搖臂焊接殼體的研究[J].煤礦機(jī)械，2015，36（7）：111-114.

[2]呂瑞林，贠瑞光，胡滔，等.采煤機(jī)高強(qiáng)度搖臂殼體的研制[J].煤礦機(jī)械，2015，36（2）：47-48.

[3]段朝峰，馬琳，馬飛.支架液壓系統(tǒng)常見(jiàn)問(wèn)題分析與優(yōu)化[J].中州煤炭，2016（11）：109-111.