重型采煤機牽引箱體設計分析及改進

龐海龍

(大同煤礦集團 機電管理處，山西 大同 037003)

重型采煤機牽引箱體是采煤機機械結構的關鍵部位。目前，牽引箱體所采用的鑄、焊結構的局部加工工藝性不合理，給后續加工造成很多不利因素，影響了箱體的加工質量，給整體采煤機的運行質量造成隱患，因此需要對其結構的工藝性進行分析，改進重型采煤機牽引箱體的不合理結構部分，為后期工藝改進奠定基礎[1-3].

1 牽引箱體結構分析

采煤機牽引箱體目前采用鑄焊結構，箱體主體部分整體鑄出，粗加工后，將頂板及側板與主體組焊，用加強筋加強焊接強度，形成電控箱或泵箱安裝腔體。

在采煤機整機身上，牽引箱體左右對稱安裝。一側組焊腔內安裝獨立的泵箱，另一側組焊腔內安裝獨立的變壓器箱。采煤機牽引箱體的結構示意圖見圖1.

圖1 采煤機牽引機構示意圖

按照工藝路線，重型牽引部箱體粗加工后需進行正火處理，在正火熱處理后牽引部箱體出現變形，如圖2所示的A處及B處出現向上翹起變形的問題。對變形的幾種殼體進行分析發現，變形主要出現在箱體鑄件主體的底板位置，而且同一底板上老塘側與煤壁側的底面變形高度差達到5～8 mm，即A處及B處變形不一，直接影響后續頂板和端板的集配焊接，即使把頂板和側板與牽引箱體主體組焊在一起，還會出現頂板頂面與側板側面不平的問題(見圖3)，導致牽引部箱體加工劃線時余量不均，局部余量太多，而局部已經沒有加工余量，因為粗加工后，牽引部箱體的加工余量正常為4～5 mm，為了確保精加工質量，不得不對后組焊的頂板和側板的局部進行堆焊，因為堆焊后表面凸凹不平，存在硬點，加工起來對加工刀具損傷大，不但給加工造成困難，而且大面積堆焊導致生產周期加長等問題[4-7].

圖2 鑄焊成形的牽引箱體示意圖

圖3 鑄焊結構件主體示意圖

根據牽引部箱體結構和變形情況進行分析，主要是由于其鑄造主體結構造成的：1) 牽引箱體的鑄造主體結構壁厚不均。2) 鑄鋼件結構和壁厚的差異。3) 組焊結構特殊：牽引部箱體組焊前側上方懸空，下方僅有一底板，加工過程容易引起升溫與冷卻速度不一，導致變形。總之，因截面效應和鑄造應力效應主體產生一定的變形量，再加上爐底板凹凸不平，工件無法擺正，更易造成主體底板的熱處理變形。

2 牽引箱體整體結構改進

隨著國內煤炭市場的復蘇，采煤機的出產量越來越多，重型牽引箱體鑄、焊結構嚴重制約了正常生產，因此，必須從設計根本上解決這些問題，即將重型牽引箱體鑄、焊結構改為整體鑄造結構[8].

由于最初選擇鑄、焊結構是從工藝角度出發，重型牽引箱體鑄、焊結構改為整體鑄造結構，首先要考慮的是鑄造工藝問題，需要確認鑄造工藝方面實施的可行性及鑄造質量。經過理論分析研究，牽引箱體鑄造時從木型、造型、澆鑄、熱處理等到成品，鑄造工藝可以實現重型牽引箱體鑄件的整體澆鑄。從鑄造工藝安排來看，通過合理設置冒口及內、外冷鐵，可實現重型牽引箱體的澆鑄，不但可以保證原鑄件主體不受影響，箱體框架整體鑄造后也不會出現鑄造缺陷，保證鑄件各部分的組織致密，鑄件的整體性能得到提高。實踐證明，該部位從未出現過質量問題。

重型牽引箱體的結構改進成整體結構見圖4，箱體毛坯可一次鑄造成型，使得設計、加工工藝、生產均更加合理。

圖4 牽引箱體整體鑄造結構圖

3 重型采煤機牽引箱體的材質改善

采煤機大型箱體的鑄造材質采用ZG25Mn，該材質一直以來使用的相對比較普及和成熟，能夠滿足目前國內3.5～6.3 m中厚煤層一次采全高技術的需要。

隨著重型采煤機的發展，采煤機的裝機功率越來越高，對采煤機特別是各大型箱體部件的強度、抗沖擊韌性等機械性能的要求也越來越高。根據對采煤機的市場反饋及大修采煤機的損壞程度的統計發現，重型采煤機牽引箱體的連接耳孔、安裝配合孔系、螺紋孔等孔口變形嚴重，箱體整體外形的磨損程度也較嚴重，見圖5.

圖5 牽引箱體大修局部孔堆焊圖

進口采煤機各部件加工面的粗糙度以及孔系的精度保持得很好，如圖6所示進口牽引箱體修復前孔系和圖7所示的進口搖臂箱體修復前孔系所顯示的粗糙度及實際狀況。

圖6 進口牽引箱體修復前孔系示意圖

圖7 進口搖臂箱體修復前孔系示意圖

3.1 普通牽引箱體鑄鋼材質的分析與改進

目前改進后的牽引箱體采用ZG25Mn材質，該材質中的主要合金元素有：Mn，Ni，Cr，Mo等，為了提高牽引箱體材質的機械性能，在分析ZG25Mn材質成分基礎上，認為可對現有的ZG25Mn材質在鑄造過程中適當添加合金元素。經過對各合金元素的研究分析，考慮到各合金元素對鑄造過程、鋼材焊接性能、成本以及對鋼材綜合性能等的影響，最后決定在ZG25Mn基礎上，對Ni，Cr，Mo等合金元素進行了微調，適度提高其合金含量，同時為了在鑄造冶煉過程中增加脫氧性和顯著細化晶粒，適當添加了Al元素。由于新研制的牽引箱體的材質是以ZG25Mn材質為基礎的，所以材質代號為ZG25MnF.

ZG25Mn和ZG25MnF二者均為珠光體+鐵素體組織，組織類型并未改變。但合金元素調整后，通過對比發現，ZG25MnF材質的抗拉強度、屈服強度都提高10%以上，基本解決了中厚煤層采煤機牽引箱體的強度問題。

由于重型牽引箱體的結構要求，需要焊接支撐腿和工藝堵等，甚至由于鑄造缺陷(氣孔、砂眼等)、加工失誤的修復等情況，不得不對箱體進行焊接修復。采煤機牽引箱體相當于一個減速箱，在使用過程中，內部裝有齒輪潤滑油，因此箱體不允許漏油，支撐腿、部分工藝堵焊接在牽引箱體的底部，作為鑄造毛坯件，有時箱體底部還會出現一些鑄造缺陷，而材質的焊接性能對箱體的焊接質量有很大的影響，必須保證箱體的焊接質量。

3.2 牽引箱體試制鑄鋼材質分析

研制機械性能綜合水平較高的新型材料是解決問題的關鍵。通過對德國艾柯夫采煤機和美國久益采煤機的了解，分析國內的鑄造水平，排除了艾柯夫殼體低碳貝氏體的思路，采取了久益殼體中碳調質鋼的思路。

通過對進口采煤機的材質及性能進行分析，根據對ZG25MnF材質改進的經驗總結，在ZG25MnF材質的基礎上，自行研制確定了一種非標的材質，由于是非標材質，考慮到材料的冶煉鑄造，并歷經十幾次的鑄造、性能試驗后，最終設計出能夠與國外采煤機的鑄造材料性能相抗衡的材料，代號ZG25MnFF. 該材料的屈服強度可達700 MPa以上，抗拉強度可達850 MPa以上，沖擊性能較好，能夠滿足采煤機在復雜煤層、夾矸煤層工作時對強度和沖擊的要求。

根據國際焊接學會(IIW)推薦的碳當量公式計算，ZG25MnFF材料碳當量為0.61～0.81，焊接時需要考慮裂紋、脆化和過渡變形等問題。焊后處理時控制時效溫度防止再熱裂紋的產生。ZG25MnFF屬于鑄態低合金高強鋼，在焊接時焊材的選擇不是要求具有與母材同樣的強度，而是應根據“等韌性”的原則選擇焊材，即所選焊材強度等級應略低于母材金屬的“低強匹配”。另外，對于低合金高強鋼，適當降低焊縫強度可以降低接頭拘束應力從而減輕熔合區的負擔，有利于降低根部裂紋的生成傾向，因此，對于ZG25MnFF材料的焊接選擇60 kg級焊材。

由于ZG25MnFF材料碳當量為0.61～0.81，焊接時熱影響區淬硬傾向增大，會使焊接接頭的熔合性能降低，易產生冷裂紋，因此，按《工藝評定試驗》結果確定了焊接時無冷裂紋的最低預熱溫度、層間溫度以及焊后消除應力回火溫度。

目前，該新材質還處在試驗階段，在實際生產過程中還有問題需要解決。通過該材質在生產中的實踐發現，材質的焊接性能不佳，但尚未得到徹底的解決辦法。另外，由于采用了調整熱處理，對鑄件毛坯的要求更高，因為小的鑄造缺陷在經歷了調質淬火后，就會導致大的裂紋產生，因此，該新型試制材質還需要繼續改進。

4 結 論

由于重型采煤機牽引箱體所采用鑄、焊結構的局部加工工藝性不合理等問題，影響了牽引箱體的加工、安裝質量，給整體采煤機的運行質量造成隱患。因此提出對重型牽引箱體進行結構的設計改進，通過對該方案的鑄造工藝的可行性確認后，將箱體的鑄、焊結構改為整體鑄造箱體，解決了由于設計結構不合理而造成的一系列加工質量、焊接質量、生產組織等問題。