自適應導向滑靴的優化設計研究

周利軍

摘 要：為了解決采煤機導向滑靴在鑄造過程中容易出現缺陷等問題，本文利用proCAST模擬軟件對采煤機導向滑靴進行鑄造和固凝過程進行了研究與分析，通過對滑靴固凝過程的分析預測鑄件的固凝過程容易出現的缺陷和缺陷產生的位置情況，為鑄造過程提供理論的指導和有效的預測，減少了避免鑄造過程中出現的缺陷問題。

關鍵詞：模擬軟件;固凝過程;滑靴;采煤機

1 前言

采煤機作為我國礦山開采的主要機械設備，其工作年限和使用壽命便成為了礦山開采的命門，此前眾多學者對采煤機的壽命和采煤機工況下的結構磨損情況作出了研究。趙友軍等人[1]綜合了采煤機工況研究，并結合了材料、結構等方面對采煤機的磨損進行了一定的分析，為采煤機的設計優化提供了一定的理論指導。丁永成[2]同樣通過仿真模擬對采煤機的搖臂升降液壓系統進行分析，提出合理的抗衡閥可有效的降低搖臂液壓系統的壓力損失，對采煤機的搖臂進行了改進。本文以采煤機的滑靴為研究對象，利用proCAST和ANSYS軟件對采煤機的滑靴進行鑄造分析和工況下的受力分析，為采煤機的滑靴鑄造提供了一定的依據。

2 采煤機滑靴工況受力分析

本文采用Pro-E模擬軟件對采煤機的導向滑靴進行模擬分析，將在Pro-E模擬軟件中建立的三維采煤機導向滑靴導入到ANSYS模擬軟件中，進行有限元分析的力學模型建立，隨后進行模擬參數的設定，因為采煤機的滑靴一般都是采用鑄鋼為材料，所以本文模擬的材料屬性選擇為鑄鋼，彈性模量選擇為2.1*105MPa，泊松比選擇設置為0.27，參考采煤機的力學參數，將采煤機工作狀態下的水平最大摩擦力設置為420kN，垂直方向上的最大摩擦力設置為120kN，采煤機的導向滑靴與行走系統的行走箱軸孔連接，所以可以設置為固定面，限制其位移，設置完成后的對模型進行網格的劃分，并對受力較為集中的部位進行細化分，選用靜態求解器，對采煤機導向滑靴模型進行靜力學分析，經過模擬可以得到如圖1的云圖，從圖2的云圖可以看出模型的應力集中現象主要集中在滑靴的銷軸孔和耐磨面上，應力集中現象無疑會引起滑靴的破壞和磨損，應盡量減小應力集中現象。從結果也可以看出采煤機的導向滑靴的最大應力值達到了298MPa，但經過仔細觀察后可以發現，其實采煤機導向滑靴受到的最大的應力可能是虛應力，所以在考慮滑靴受力情況時可以忽略這樣的虛力，選擇剩余部分的力進行參考和分析，采煤機的導向滑靴受到的里主要分布在銷軸孔和軌道的接觸面上，所以對此部分的優化是十分有必要的。

3 采煤機滑靴固凝研究分析

本文選取的采煤機導向滑靴的材料為ZG35CrMnSi（一種較為常用的結構鋼，強度較大，耐磨性能較好）。選用高溫淬火和回火工藝對采煤機導向滑靴進行鑄造。

冒口設計是鑄造的重要環節組成部分，冒口的設計有助于防止金屬液冷卻后縮孔造成的試件致密性大打折扣，使鑄造的試件性能得到更好的發揮，所以在設計冒口的時候應該充分考慮到冒口的布置位置，因為冒口承載著同時澆注以及內外冷鐵等工藝，所以冒口的設計應當盡量避開鑄件的熱節，同時考慮到冒口的設計應該考慮到幾何尺寸的影響，冒口只能在一定的工作有效范圍內才能發揮應有的作用，所以控制好冒口之間的距離也是冒口位置布置的重中之重;其次冒口在設計時應當充分考慮到冒口的大小尺寸，只有冒口的尺寸合理才能提供足夠的液缸，同時當冒口的尺寸太大后，鑄件底部的液缸會達不到標準的要求的精度;冒口設計時應充分考慮到鑄液完成后的清理工作，冒口設計的優化可有效的降低鑄件的成本。

本文對采煤機導向滑靴的設計應首先將導向滑靴進行網格劃分，后導入到proCAST軟件中，對鑄件的凝固過程進行分析，根據溫度場的變化，分析導向靴的熱節位置情況。圖2為導向滑靴溫度分布圖。

從上圖2的（a）可以看出，當運行到70步的時候，銷軸孔周邊的溫度分布較高，為液相區，且高溫分布的面積較大，但可以看出耳板附近已經開始形成凝固的固相，而在鑄件進行凝固的過程中，銷軸孔的周邊開始發展成孤立的液相區，當鋼水開始凝固，受到熱脹冷縮的作用，鋼水開始收縮體積減小，此時的鋼水收縮受到試件外殼的阻力作用難以收縮，此時就形成了銷軸孔周邊的凹凸缺陷。

根據圖2的（b）圖可以看出，當進入到230步時，采煤機導向滑靴已經基本完成凝固，滑靴的底部由于受到重力作用最先完成凝固，液鋼已經完成底部鑄造，液相線開始慢慢向模型的上表面移動，模型的凝固程度開始變大，但考慮到滑靴的倆段厚度較大，中段的耳板設計成空腔的結構，所以原本相互銜接的液鋼開始產生分叉，在較厚的區域形成孤立的液相區，當剩余部位的液鋼完全凝固后，液鋼的聯通也被阻隔，孤立的液相區沒有得到鑄造，所以鑄件的孤立液相區產生收縮，造成模型的鑄造缺陷。隨著，步數的不斷增加滑靴的上部仍存在著明顯的孤立液相區，區域的顏色較深，對應的固相率較低，從云圖可以看出此區域的顏色為灰色（固相率達到0.8）。當鑄件的液鋼開始凝固的時候，滑靴的上部最后完成凝固。根據經驗可知一般鑄件最終的凝固區容易形成熱節，一般熱節形成的區域容易形成縮孔區。所以在考慮鑄件時首先考慮到較厚區域的澆注情況。

采煤機導向滑靴作為采煤機的關鍵部位，所以本文以鑄造凝固理論為研究基礎，對實際生產前的采煤機導向滑靴的缺陷進行分析，為鑄造工藝提供了理論指導。

4 結論

本文以采煤機導向滑靴的鑄造過程為研究對象，并利用proCAST軟件為研究工具，對鑄造過程的溫度場等作出了研究得到了如下的結論：

①利用pro-E建模軟件對采煤機導向滑靴進行建模，并導入到ANSYS模擬軟件中研究了工作狀態下的采煤機導向滑靴的受力情況，導出云圖確定了上下耳板和耐磨面的上端部為應力集中區域，應力較大;

②根據冒口的設計規律對冒口設計進行了理論分析，并通過proCAST軟件對模型容易產生收縮缺陷的部位進行分析與預測。通過模擬軟件的分析，和對凝固過程中的溫度場進行研究，發現了上下耳板弧形端口區域和冒口之間的區域易發生縮孔缺陷，造成鑄件未達到鑄造的精度。

參考文獻：

[1]趙友軍，李鈺.滾筒采煤機外部磨損耐磨技術研究與發展趨勢[J].煤炭技術，2018，37（08）：224-226.

[2]丁永成.采煤機搖臂升降液壓系統仿真分析及優化[J].煤炭工程，2018，50（02）：145-147.