朱忠文

采煤機(jī)滾筒齒座開(kāi)裂分析

朱忠文

齒座開(kāi)裂是我廠采煤機(jī)生產(chǎn)中存在的一大問(wèn)題，齒座開(kāi)裂直接影響到采煤機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量，保證齒座在采煤機(jī)生產(chǎn)中安全使用，與采煤機(jī)滾筒設(shè)計(jì)，生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)有密切的關(guān)系。擬對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題做一分析。

齒座;開(kāi)裂;受力分析;生產(chǎn)工藝分析

一 齒座開(kāi)裂形式與受力分析

齒座開(kāi)裂多見(jiàn)于齒座(圖號(hào)0000401)與扁形截齒(圖號(hào)0000501)配合使用情況下，以端盤(pán)齒座，尤其是大角度齒座，而葉片上的齒座卻很少出現(xiàn)。

1.齒座開(kāi)裂形式。

(1)發(fā)生在齒座與端盤(pán)(或葉片)組焊后開(kāi)裂，大多數(shù)是由于焊接應(yīng)力，在齒座徑向承載面積最小處Φ22+0.2孔中間開(kāi)裂(見(jiàn)圖)。少數(shù)是由于齒座在組焊前有微觀裂紋，造成內(nèi)部應(yīng)力集中，而在別處開(kāi)裂。

齒座Φ22+0.2中間(圖A－A剖面)

承載面積=(70－22)×(74－30.5)=2088mm2

齒座Φ30.5半圓缺口(圖B－B剖面)

中間處承載面積 =(74－30.5)×(70－15)=2392.5mm2

可見(jiàn):齒座Φ22+0.2孔處為最小承載面積。

(2)發(fā)生在采煤生產(chǎn)時(shí)，由于受到采煤阻力和焊接殘余應(yīng)力作用，使齒座在側(cè)面斷裂(也大多先在Φ22+0.2孔處開(kāi)裂，后沿側(cè)面斷裂，也有由于焊接熱影響區(qū)冷裂紋，造成局部應(yīng)力集中而在此處斷裂)。

2.齒座受力分析。

如上圖，根據(jù)截齒刀具的受力情況，可分析出齒座受力情況。

(1)將截齒受到的側(cè)向力Pc，沿平行于A面，及垂于A面分解，齒座A面受到的彎矩最大。

Mmax=PccosαLp，即A面?zhèn)认蚴艿阶畲蟮恼龖?yīng)力，齒座斷裂先從此處斷裂。

(2)齒座A面受到的彎矩。

M=PjLp，此彎矩對(duì)齒座開(kāi)裂影響不大，但對(duì)大角度齒座，尤其齒座超出端盤(pán)圓錐面，側(cè)面正應(yīng)力增大。

(3)截齒受到徑向力Pq。

齒座受到徑向力Pq，彎矩:PqLa.

徑向力Pq對(duì)齒座產(chǎn)生壓應(yīng)力作用。對(duì)于齒座角度較大，尤其是齒座超出端盤(pán)圓錐面Pq影響增大。

根據(jù)以上分析:齒座受力是以上各力和力矩的綜合，影響齒座斷裂主要是側(cè)向力Pc，其次是截割阻力Pj，牽引阻力Pq。

端盤(pán)截齒在割煤時(shí)，處于半封閉截割狀態(tài)，齒座角度愈大，圖示φ角愈小，tgφ愈小，Pj增大，Pc也因此增大。

這是采煤時(shí)端面齒角度越大，齒座越易開(kāi)裂的原因，至于葉片齒座很少開(kāi)裂是由于齒座受到的側(cè)向力小，而且焊接殘余應(yīng)力較小的緣故。

二 齒座的生產(chǎn)工藝過(guò)程分析

齒座開(kāi)裂與齒座的生產(chǎn)工藝過(guò)程有密切的關(guān)系。如果齒座的抗拉強(qiáng)度σb低，沖擊韌性低，有顯微裂紋，脆性大，齒座更易開(kāi)裂。

齒座的材料是中碳調(diào)質(zhì)鋼35CrMnSi由鐵工車間模鍛生產(chǎn)出齒座毛坯(正火)，熱處理車間(調(diào)質(zhì))，機(jī)加車間加工成齒座(成品)。

1.模鍛:齒座的鍛造生產(chǎn)質(zhì)量直接影響到下一步工序，也影響到齒座生產(chǎn)質(zhì)量。要得到一個(gè)合格的齒座鍛件，應(yīng)做好下列工作:

(1)原材料:由于原材料存在缺陷，如鋼料存在殘余縮松，枝晶偏析，氣泡，夾雜等，可能導(dǎo)致生間裂紋或脆斷。

(2)加熱:鍛件在很大程度上受加熱規(guī)范的影響。加熱規(guī)范包括裝料爐溫，加熱速度，保溫時(shí)間，加熱時(shí)間等。由于35CrMnSi的導(dǎo)熱，導(dǎo)溫性較45#鋼差，所以應(yīng)嚴(yán)格控制加熱速度和冷卻速度，以免由于溫度應(yīng)力和組織應(yīng)力的作用產(chǎn)生裂紋。對(duì)于加熱鍛件在中心易產(chǎn)生細(xì)小裂紋，對(duì)于冷卻鍛件在表面易產(chǎn)生裂紋。

35CrMnSi過(guò)熱和過(guò)燒溫度較低，具有明顯的過(guò)熱傾向性，所以應(yīng)嚴(yán)格控制加熱溫度，不能使之偏高，發(fā)生在齒座與端盤(pán)(或葉片)的組焊后的齒座開(kāi)裂斷口，發(fā)現(xiàn)有的色澤發(fā)藍(lán)，有的色澤灰暗。對(duì)于色澤發(fā)藍(lán)斷口的齒座分析其原因及形成，是加熱后產(chǎn)生的過(guò)燒裂紋在組焊時(shí)在焊接應(yīng)力的作用下，沿裂紋開(kāi)裂，過(guò)燒裂紋與熱裂紋特征基本相同，為沿晶擴(kuò)展，裂紋有嚴(yán)重氧化現(xiàn)象。對(duì)于色澤灰暗的齒座斷口分析其原因及形成，是加熱后產(chǎn)生的過(guò)熱，由于過(guò)熱后的齒座抗拉強(qiáng)度低，在組焊時(shí)由于焊接應(yīng)力超過(guò)基體的抗拉強(qiáng)度，而沿承載面積最小處開(kāi)裂，其斷口為沿?cái)嗔训氖癄顢嗫?，是由于過(guò)熱溫度下鋼中非金屬夾雜熔解度增大，在冷卻過(guò)程中從過(guò)飽和的粗大奧氏體中析出非金屬夾雜包圍奧氏體而形成脆性脆殼，且日粒粗大，因而斷口是沿晶斷裂形式。

(3)鍛造后冷卻:由于模鍛不像自由鍛那樣，鍛件是經(jīng)過(guò)反復(fù)錘擊，因此模鍛件組織不如自由鍛。終鍛溫度應(yīng)嚴(yán)格控制，終鍛溫度過(guò)高，由于終鍛后奧氏體仍將繼續(xù)長(zhǎng)大，甚至粗大超過(guò)原來(lái)的晶粒度，作斷口檢驗(yàn)時(shí)，可看到粗晶斷口，魏氏組織使鍛件的機(jī)械性能下降，尤其是沖擊韌性，下降更為明顯。有資料表明，為了細(xì)化晶料，改善組織，提高機(jī)械性能，對(duì)于此種鋼材，作完全退火處理，使之產(chǎn)生重結(jié)晶。

2.熱處理。

我廠齒座熱處理工藝是模鍛后空冷，相當(dāng)于正火，熱處理車間高溫回火?；鼗饻囟?00゜C，加熱時(shí)間2’保持時(shí)間30’，空冷。

35CrMnSi是中碳調(diào)質(zhì)鋼，鍛件應(yīng)做調(diào)質(zhì)處理，即淬火后，再來(lái)一個(gè)高溫回火，才能提高材料的機(jī)械性能，使材料的抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性提高。

35CrMnSi調(diào)質(zhì)狀態(tài)下的組織為回火馬氏體，屬于Cr－Mn－Si系統(tǒng)的中碳調(diào)質(zhì)鋼。Cr－Mn－Si鋼具有回火脆性的缺點(diǎn)，在300－450゜C內(nèi)出現(xiàn)第一類回火脆性，因此回火時(shí)必須避開(kāi)該溫度范圍，此處這類鋼還有第二類回火脆性。因此高溫回火時(shí)必須采取快冷的方法，否則沖擊韌性會(huì)顯著降低。

3.機(jī)加:為便于加工，齒座可在退火后回工，再作調(diào)質(zhì)處理。

三 齒座與端盤(pán)、葉片焊接生產(chǎn)工藝過(guò)程分析

1.材料分析。

35CrMnSi化學(xué)成分:

C:0.35 Cr:0.8～1.14 Mn:0.8～1.1 Si:0.9～1.2 S≤0.030 P≤0.035

碳當(dāng)量Ceq%=C+Mn/6+Si/24+Cr/5=0.35+1.10/6+1.00/24+1.00/5≈0.78

2.35CrMnSi焊接性分析。

35CrMnSi的碳當(dāng)量Ceq為0.78;端盤(pán)的材質(zhì)是ZG35，碳當(dāng)量Ceq較35CrMnSi小，因此以下主要討論35CrMnSi的可焊性。

由于35CrMnSi的碳當(dāng)量Ceq很大，所以有很大的淬硬傾向和冷裂傾向，由于Ms點(diǎn)較低，在低溫下形成的馬氏體一般難以產(chǎn)生“自回火”效應(yīng)，并且由于馬氏體中的含碳量較高，有很大的過(guò)飽和程度，硬度和脆度很大，對(duì)冷裂紋敏感性很強(qiáng)，因此除應(yīng)采取預(yù)熱措施外，焊后還應(yīng)及時(shí)進(jìn)行回火處理。

采用小線能量對(duì)焊接較為有利，小線能量減少了高溫停留時(shí)間，避免了奧氏體晶料過(guò)熱，增加了奧氏體成分不均勻性，從而降低了奧氏體的穩(wěn)定性。并同時(shí)采取預(yù)熱和緩冷等措施來(lái)降低冷卻程度，這對(duì)改善過(guò)熱區(qū)的性能是非常有利的。

3.焊接工藝 。

(1)焊前需將焊接面清理，打磨，露出金屬光澤。

(2)采用火焰預(yù)熱方法，加熱齒座與基體焊縫兩側(cè)，大約250～300゜C。

C.采用CO2氣體保護(hù)焊，Φ1.2實(shí)芯焊絲，材料為H08Mn2SiA，焊接電流270～300A，電壓25～32V，多層多道焊接，焊接15層30道，每焊完一道焊縫后用錘擊，消除殘余應(yīng)力，保層間溫度250～300゜C。

(3)焊后在退火爐中保溫300゜C，2小時(shí)。

四 結(jié)論

齒座的生產(chǎn)從原材料采購(gòu)、生產(chǎn)，每一步的生產(chǎn)都應(yīng)認(rèn)真執(zhí)行工藝規(guī)范。齒座焊接嚴(yán)格執(zhí)行工藝，才能避免齒座開(kāi)裂的發(fā)生。

［1］李亞江.焊接材料的選用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］高忠民.實(shí)用電焊技術(shù)［M］.北京:金盾出版社，2003.

［3］陳天佐，李澤高.金屬堆焊技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1991.

［4］李亞江，等.切割技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

Analysis of Crack of Roller Gear Seat in Coal Mining Machine

Zhu Zhongwen

The crack of roller gear seat is one of main problems in our factory’s production of coal mining machine.Cracked gear seat will affect directly the product qualification and safety of gear seat in coal mining machine during production.It has a close relationship with roller design and every section in the production.This thesis will give a brief analysis of the problems in every section.

gear seat;crack;force analysis;production workmanship analysis

TD421.6+1

A

1672－6758(2012)02－0046－2

朱忠文，技師，雞西煤礦機(jī)械有限公司，黑龍江·雞西。郵政編碼:158100

Class No.:TD421.6+1Document Mark:A

(責(zé)任編輯:鄭英玲)