坚硬煤层大采高采煤机新材料研究和制造工艺的改进

周 成，田馥林

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003；2.山西电力公司技能培训中心大同分部，山西 大同 037039）

坚硬煤层大采高采煤机新材料研究和制造工艺的改进

周 成，田馥林

（1.山西大同大学煤炭工程学院，山西 大同 037003；2.山西电力公司技能培训中心大同分部，山西 大同 037039）

通过在国产铸钢中添加微量元素及相关工艺的改进，细化了铸钢件的晶粒，在改良材料的基础上研发全新的铸钢材质，并使铸造缺陷大大降低，对铸钢的组织形态进行金相观察以及对其各项机械性能进行测试。经过多次试验，材料的机械性能得到了充分的发挥，用新材料加工的壳体其强度指标提高了15%以上，综合力学性能指标接近（不小于5%）或达到进口铸钢件的性能指标。并对摇臂壳体的铸造，牵引壳体、电控箱体的焊接，摇臂壳组件、内齿圈、定位座孔的机械加工，齿轮类零件的热处理等工艺进行了改进。

坚硬；大采高采煤机；新材料；制造工艺

坚硬煤层大采高MG1100/2760-GWD型电牵引采煤机作为目前国内功率最大的采煤设备之一,是同煤集团和上海创力集团公司合作设计开发的新产品。新产品在设计上采用了国内、外的先进技术,在总体结构上继承并发展了原有产品的特点。由于新产品功率高、牵引力大,因此对零部件在材料、性能、工艺上提出了更高的要求。

1 新材料研究

MG1100/2760-GWD型电牵引采煤机截割部摇臂承载能力为1 100 k w,因此摇臂壳作为重要的部件,不仅要求具有一定的塑性和韧性,同时要求具有较高的强度与硬度。摇臂壳内布置了行星架和齿轮,结构又比较复杂,常规的材料不能满足使用要求,国外进口钢材价格较高。为此,上海创力集团股份有限公司与上海大学合作进行了深入的研究,对进口铸钢件的材料进行分析,对铸钢的组织形态进行金相观察以及对其各项机械性能进行测试。经过多次试验,通过在国产铸钢中添加微量元素及相关工艺的改进,细化了铸钢件的晶粒,在改良材料的基础上研发全新的铸钢材质,并使铸造缺陷大大降低,材料的机械性能得到了充分的发挥。用新材料加工的壳体其强度指标提高了15%以上,综合力学性能指标接近(不小于5%)或达到了进口铸钢件的性能指标。

1.1 显微组织

图1 铸钢件的显微组织对比

铸钢材料改良前后金相组织的对比照片,见图1。由图中可以看出,改良前铁素体所占比例较大、较多,基本呈片状;改良后晶粒变得细小,略呈球状。

1.2 硬度

从改良前后的材料心部提取试样进行硬度测量,测试位置随机选取,测试结果，见图2，图3。从图中可以看出,改良后硬度在190 HBS以上,后者硬度更高。

图2 改良前铸钢件的硬度

图3 改良后铸钢件的硬度

1.3 拉伸冲击性能

对改良前后的铸钢件进行了拉伸试验和冲击试验,试验结果见表1，表2。通过对比分析可以看出,改良后的材料在确保良好的塑性和韧性的前提下,强度指标有了较大幅度的提升,完全达到了铸钢性能改良的初衷。

表1 改良前铸钢件拉伸冲击试验结果

表2 改良前铸钢件拉伸冲击试验结果

2 制造工艺研究

2.1 主要工艺技术准备

根据生产实际情况,本着保证产品质量、提高生产效率、降低生产成本的原则,在工艺技术准备过程中作了以下几方面的改进：

1）制定合理的工艺方案及工艺路线,确保产品工艺技术准备工作如期完成,保证产品制造的顺利进行;

2）编制全套的机加工工艺过程卡片、关键零件的工序卡片、下料工艺卡片、焊接及水压试验作业指导书等工艺技术文件;

3）设计制造必要的工装及专用工具、刃具。对于结构复杂、制造周期长的工装,进行先设计投产,确保生产的顺利进行;

4）确定工艺关键件、关键部位的加工方案,对于关键件进行了跟踪服务,对生产中出现的问题及时处理;

5）为保证产品的质量及提高生产效率,尽量采用成熟的工艺及技术;

6）针对一些关键零件、关键部位,突出重点地进行分析研究。

2.2 攻克技术关键

通过以上的技术准备工作,为采煤机零部件的生产提供了技术保障,针对采煤机关键零部件的制造,主要解决以下一些问题：

1）解决大型精密复杂壳体类零件如摇臂、牵引箱的铸造及精加工的问题。各种壳体件经粗加工后,去内应力处理,探伤再精加工,确保零件的内在质量及制造精度;

2）解决大型箱体组焊件的焊接问题。箱体材料为低合金高强度钢板,主要焊缝坡口采用机械加工,选择药芯焊丝进行CO2气体保护焊,焊后进行去应力退火及探伤检查;

3）攻克高精度硬齿面齿轮、修形齿轮、内外渐开线花键的制造关键。主要传动齿轮精度到达6级,所有硬齿面齿轮经超声探伤或磁力探伤;

4）对于防爆箱体的焊接,箱体质量从下料到焊后的渗漏试验进行全面控制,分腔打泵试验,防爆接合面磷化处理,防爆试验要符合国家防爆验收标准。

2.3 关键结构件的工艺研究

2.3.1 摇臂壳的铸造工艺

摇臂壳是截割部的一个重要零件,为整体铸钢件。常规情况下铸钢因为收缩比较明显,在铸造过程中容易出现缩孔、缩松等铸造缺陷。为了保证摇臂壳的质量,对采煤机摇臂壳体铸造工艺凝固时间的确定、凝固顺序的确定、浇口、冒口的数量和位置的确定、冷铁数量及位置确定进行分析和试验,并对铸造工艺流程进行了效果模拟。

通过对比工艺改进前后的效果分析,钢水在铸造过程中飞散、紊流现象程度大为减轻,铸件的凝固孤立区大大减少,铸件的铸造质量大大提高。

2.3.2 摇臂壳组件的机械加工

1)该零件是关键件,加工精度要求很高,但其外形不规则,零件装夹困难。为保证加工过程中装夹的稳定及安全,施焊工艺垫铁,保证各处加工均具有准确可靠的基准。

2)针对零件余量多,加工时容易产生切削应力的情况,应及时调整工艺,由原来的焊接、回火、粗镗、精镗调整为焊接、粗镗、回火、精镗,有效地消除因切削应力带来的不稳定性。

3)电机孔φ870×900,加工难度大,为此设计专用刀排。

2.3.3 左(右)牵引壳体的焊接

该件为组焊件,外形尺寸虽达3370×1810×1775 mm,但内腔结构紧凑,其中齿轮箱须作防渗漏试验,焊接难度大,机加工精度要求也高,箱体壁厚达100 mm,产生焊接变形后整形难度大。通过分析,制定焊接作业指导书,采取措施如下：

1)编制下料工艺卡片,控制下料尺寸,进行预先机加工,提高箱体组装的精度。

2)采取小组件分别组焊后再总装焊接的方式。小组件采用的加工路线是焊接-加热(时效)-整形。小组件焊后进行热时效消除应力处理,然后再进行整形,保证局部的焊缝质量及尺寸精度。

3)箱体整体焊接时,所有焊缝均对称施焊,先焊纵向长焊缝,后焊横向短焊缝,焊时随时调整焊接顺序,多层多道对称施焊,中长焊缝采用分段退焊,长焊缝由中间向两端分段退焊。以减少焊接变形。

4)焊后采用回火消除焊接应力。

2.3.4 内齿圈Ⅱ的机械加工

针对以往类似的薄壁类零件加工后产生变形的问题,由原来的粗车、调质、精车、插齿、钻孔改进为：锻坯(锻后热处理)→粗车→探伤→调质→半精车→粗插齿→精车→精插齿→镗钻孔→磨齿,并且钻孔采用对称位置钻的方式。通过工艺改进,有效地控制了变形。

2.3.5 定位座的孔加工

该零件4-φ30H7孔对φ470f7外圆的位置度为0.01,使用常规的钻模加工方式已不能满足精度要求,通过精确找正将4-φ30H7孔的加工定位在加工中心上完成,类似的情况还有CLME0503-2轴承座等一类零件。

2.3.6 齿轮类零件的热处理

齿轮类零件材料均为18Cr2Ni4WA,热处理要求为：渗碳淬火,硬度要求为58-62HRC。该类零件热处理时都为多件操作,如堆积在一起会影响到加热的均匀及冷却的速度,从而影响热处理质量。为此设计专用工装,保证零件在淬火加热时均匀散开放置,在淬火过程中冷快速冷却,以提高淬火硬度,保证零件的硬度要求。

2.3.7 电控箱体的焊接

电控箱体为焊接件,主要部件板材材质采用高强度板Q550与低合金钢板Q345组焊而成。关键部位如下：

箱体精加工之后,电控箱顶部三组隔爆腔和冷却水道需打压,若组对在壳体上后再焊接水道盖板,则一方面由于施焊空间受限,需要在隔爆腔内进行焊接,增加了焊接难度;另一方面由于水道盖板周围焊缝比较集中、密集,且焊缝均分布于立板同侧,焊量大,焊后变形大,难于调平,控制不好,有可能压裂,为了解决上述问题,焊接工艺应采取如下的措施。

1)采取小组件先焊的方式,焊接时严格控制焊接线能量输入,严格控制焊接电流。电弧电压和焊接电流之间保证严格的匹配关系,保持焊接过程稳定、焊缝成形良好。焊丝直径、气体流量、焊丝伸出长度等参数均要按照铆焊工艺守则执行。

2)增加热时效工序。小组件采用的加工路线是：铆(焊接)→热(时效)→铆(调平)→机加(加工隔爆孔)。小组件焊后进行热时效消除应力处理,然后再进行调平,保证局部焊缝质量和隔爆孔的加工精度。

3)电控箱壳体整体焊接时,高强度板Q550与低合金钢板Q345焊接时采用预热处理,采用特殊焊丝进行焊接,保证箱体整体强度。所有焊缝均对称施焊,先焊纵向长焊缝,后焊横向短焊缝,焊时随时调整焊接顺序,多层多道对称施焊,中长焊缝采用分段退焊,长焊缝由中间向两端分段退焊。

4)焊后采用整箱回火处理,消除焊接应力,它能消除残余应力20%-50%。

2.3.8 装配

由于MG1100/2760-GWD型采煤机的零件个大、体重,传统的装配技术的使用受到了限制,零件装配采用轴承及套类零件加热后热装,轴类零件冷冻后冷装的方法,保证装配质量。

3 加工设备及工具、夹具的改进

3.1 滚齿机的改进

行星架构件长度超过滚齿机加工范围,为了解决花键的加工问题,加工前改造滚齿机,使其加工范围扩大,设计专用工装,保证了行星架加工的顺利进行。

3.2 插齿机增加辅助工作台

内齿圈Ⅱ外圆尺寸φ1280 mm,超出插齿机加工范围,为解决内齿圈的插齿问题,通过设计辅助工作台的方法来扩大机床的加工范围,成功地解决了插齿问题。

3.3 外圆磨床工装的改进

一轴齿轮零件φ160k6，φ130k6外圆对齿轮分度圆的同轴度误差为0.015,磨外圆及磨齿加工时均需使用芯棒,如果采用一棒多件的方式,则在外磨及磨齿的芯棒装卸中,会产生安装误差,将不能满足设计要求。加工过程增加了工装的制作数量,采用一件一棒的方式,即零件在外磨完成后,芯棒不拆卸,随零件转至磨齿工序,进行磨齿加工。这样,避免了芯棒两次安装产生的误差,保证零件的质量。类似的情况还有驱动轮等齿轮零件。

通过新工艺、新技术、新材料的应用,通过不断改进工艺方法,提高工艺技术水平,使MG1100/2760-GWD型电牵引采煤机的产品质量及生产效率进一步提高。同时系统性考虑成本、生产节奏等方面的因素,进一步加强工艺管理,使采煤机的产品质量及制造水平能更上一个新的台阶。

[1]郑文龙.金属构件断裂分析与防护[M].上海：上海科学技术出版社,1980.

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〔责任编辑 石白云〕〕

Research of New M aterials of Great M ining Height Shearer for Hard Seam and Im provment of its M anufacturing Process

ZHOU Chen，TIAN Fu－lin
（1.School of Coal Engineering，ShanxiDatong University，Datong Shanxi，037003；
2.Training Center of Datong，Shanxi Electric Power Corporation，Datong Shanxi，037039）

By adding trace elements to cast steel and improving relative process，the grains are refined.Aftermodifyingmaterials，new cast steelmaterials are developed and the weaknesses of casting are reduced.The organization of cast steel are observed by Metallographic Observation and variousmechanical functions are tested.After serveral experiments，themechanical functions are full played.The strength index of shellwhich ismade from new materials is elevated by 15%，its index of intergrated mechanical properties is close to that of imported castings.The casting shells of rocker arm and traction，thewelding of electronic－control box，themachining of rocker arm components，internal gear and location hole，and heat treatments of gear parts are improved.

hard；large－section；greatmining height shearer；new materials；manufacturing process

P208

A

2012－12－08

周成(1966-),男,山西大同人,副教授,研究方向：煤矿机械。

1674－0874（2013）03－0070－04