關于提高采礦機械強度與耐久性的研究

馮　戎

（山西西山煤電集團鉆探分公司，山西　太原　030053）

引言

為了對采礦機械和自動化機組提高采礦機械的強度與耐久性研究加以說明，本文所選用的采煤機搖臂殼體與支架液壓系統都是與采煤機的使用性能及使用耐久性直接相關的設備。前者是承擔采煤機搖臂傳動系統的骨架，其強度影響傳動系統的可靠性與穩定性，后者是為采煤機支架提供動力與支撐的關鍵，其耐久性與采煤機的采煤作業時間及效率息息相關。

1　提高采煤機搖臂殼體強度的研究

針對現有常規采煤機搖臂殼體由于強度不足而容易變形導致傳動系統易發生故障的情況，著重討論對于采煤機搖臂殼體的改進方法，具體包括殼體材料、鑄造與加工工藝與過程檢驗等方式，提高搖臂殼體的機械性能與使用強度[1]。

1.1　材料選擇

現階段我國采煤機的搖臂殼體材料大多會采用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，但材料的強度并不理想，尤其是屈服強度與拉伸強度無法滿足我國煤炭開采對于采煤機搖臂強度性能的需要。而高強度采煤機搖臂采用高強度合金鋼材料，含有鎳、鉻、鉬等金屬元素，并且對材料中的硫與磷等礦物元素加以控制，使材料達到了優質合金鋼的標準。對于材料采用熱處理方法，可以提高其耐磨性與機械性能，滿足我國煤炭開采對于采煤機搖臂強度的需求。

1.2　制作與澆鑄工藝

采煤機搖臂殼體，其砂型使用了鉻鐵礦面砂及樹脂粘結劑，這兩種材料能夠滿足大型澆鑄鋼材料構件的強度要求，而樹脂粘結劑還能夠確保材料尺寸的精確性，提高殼體的表面質量，減少澆鑄過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，能夠規避機械粘砂與裂縫等生產風險，提高材料的凝固性。采煤機的搖臂具有十分復雜的結構，尤其在電機安裝孔竅的位置，具有較大的橫向、縱向尺寸與厚度，搖臂的流動性能較差，殼體的生產過程中很容易產生材料的裂縫與氣泡情況。為了減少這種情況的產生，在正式鑄造之前，需要利用計算機與信息技術進行澆鑄模擬，通過直觀化與可視化方法來明確材料澆鑄過程，明確澆鑄通道是否存在堵塞情況以及是否會產生材質疏松與縮孔問題。

在進行采煤機搖臂殼體澆鑄過程中，需要嚴格遵循相關規定與參數規范，對冒口與定位塊幾何尺寸加以規范，明確拔模斜度與冷鐵位置等技術數據，采取有效手段來確保殼體澆鑄的質量及效果：第一，在臨近材料澆鑄的兩端位置加設一定數量的內澆口，快速對殼體材料進行澆鑄，確保熱能能夠均勻分布，避免殼體產生裂縫；第二，在澆鑄過程中，應當以型芯來制作排氣通道，以沙箱制作排氣孔，以樹脂砂作為背砂，以泥芯圓角部位施加10～20mm左右的鉻鐵礦砂，避免材料澆鑄過程中出現氣孔，影響搖臂殼體的使用性能；第三，為了確保殼體材料澆鑄質量不受影響，需要對澆冒口系統進行合理布設，在殼體壁厚處架設外冷鐵，使外冷鐵的接觸鋼光滑平整，避免接觸鋼產生銹蝕情況，嚴格遵循加工工藝的實際要求進行布設與排放，在毛坯面敷設5～8mm左右厚度的砂體，加工面與150mm左右的冷鐵相接觸；第四，應當對分箱面進行謹慎挑選，確保型芯的緊實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，避免由于冒口的補縮不足而導致澆鑄問題。在完成澆鑄之后，需要進行至少96 h的保溫，這是由于以樹脂砂替代了傳統石英砂的緣故。落砂后的材料需要放在無風的環境下，并在適當時進行正火熱處理。在正火之前，澆鑄口與冒口需要在300～350℃左右的環境下進行切割，以確保材料的機械性能能夠滿足使用要求。對于殼體的熱處理是確保其強度與使用性能的關鍵性加工環節，要將處理的正火溫度嚴格控制在850～950℃的區間范圍之內，進行4～6 h的保溫處理，確保材料能夠實現充分的奧氏體化，避免材料晶粒粗大的情況。經過熱處理的搖臂殼體材料，其淬透性十分出色，在出爐之后還需進行空冷處理。材料處理結束后，還要對其進行檢查，確保材料外觀沒有肉眼可見的裂縫，并對殼體進行洛氏硬度檢測。

1.4　殼體加工與檢驗

采煤機材料的搖臂殼體屬于不規則形狀，在加工中也沒有具體標準，不同軸孔間的精度與形位公差要求達到了7級以上，正因如此，在進行加工工藝的制定時，應當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焊了墊鐵，其要在加工之后及時去除，以此來確保每一個軸孔間的加工基準精確統一。在完成焊接之后，需要對鑄件進行回火處理，這是消除由于加工而產生應力的重要環節，以此來提高加工性能，確保殼體材料的機械性能與使用強度。出于檢測材料密封性的需要，對搖臂殼體齒輪油腔進行了保壓試驗，將保壓設定在0.5MPa，要求材料在30min內不得出現滲漏情況，才算合格。對內外水道進行打水壓與保壓試驗，要求內噴霧在12MPa的情況下，材料至少保持5min無滲漏情況；外噴霧在3.5MPa的情況下，至少保持5min不得出現滲漏情況。此外，還需對殼體材料的關鍵部位進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　采煤機支架液壓系統耐久性的研究

2.1　抬底液壓系統的常見問題

抬底液壓系統是常見的采煤機支架液壓系統，在使用過程中，若周邊圍巖環境為底板較軟的黏土巖類的泥質頁巖或遇到水體就會軟化的石灰巖，當遇水時，抬底液壓系統容易產生支架底座全段底板比壓最小值超過底板抗壓入強度而致使支架底座前端下陷的情況，致使液壓系統無法移駕，而抬底液壓系統能夠使下陷的支架前端順利抬起，如圖1所示。

圖1　抬底液壓支架系統的原理

抬底液壓支架系統中使用的千斤頂，其小腔使用了單向鎖進行保壓閉鎖，這種方式能夠滿足抬底液壓系統的使用要求，但部分生產廠商在加工過程中，會將千斤頂的大腔保壓閉鎖，容易使抬底液壓系統的定量、立柱、千斤頂與底座的受到破壞。經研究與分析可知液壓支架系統在工作時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程中，如果工作人員和沒有進行收底與抬底，或者收底工作沒有到位，就會導致支架底座前段與底板相分離，這時如果工作人員進行升柱，就會產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虛撐姿態，此時液壓系統就會對定量、立柱、千斤頂與底座產生應力，甚至會導致這些元件由于應力的作用而永久性損壞，通常表現為，支架液壓系統底座結構前段的安裝座焊接縫開裂及抬底千斤頂在外部應力作用下發生損壞。

2.2　液壓系統優化措施

對于采煤機抬底支架液壓系統的優化，主要在于減少抬底千斤頂與支架推移結構之間由于相互作用而產生的摩擦力，例如，通過加工使抬底千斤頂活塞桿的最前端呈現為大圓弧狀，或者避免推桿結構件與抬底千斤頂相接觸的部位出現焊接縫，這些優化方式能夠避免在特殊條件下，支架液壓系統關鍵不穩的損傷。另外，在避免活塞桿出現彎曲的條件下，可以減少系統中的液控單向鎖、膠管結構與U形銷等元件，在確保系統使用性能的基礎上，對抬底支架液壓系統加以簡化，能夠減少相關元件出現損壞的概率[3]。

3　結語

對于采煤機搖臂殼體強度的優化，應調整殼體使用的材料，選用強度較高的優質合金鋼，并合理制定加工工藝流程，嚴格按照加工工藝規范與標準進行加工，避免裂縫及氣孔的產生。在完成全部加工流程之后，還需對搖臂殼體進行保壓與滲透試驗。而對于支架液壓系統的優化，需要減少千斤頂與支架結構間的作用力，可以通過加工活塞桿或減少小附件的方式來實現。

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

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

[3]段朝峰，馬琳，馬飛.支架液壓系統常見問題分析與優化[J].中州煤炭，2016（11）：109-111.