陳慶賀

（中國煤炭科工集團 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

金屬波紋管是一種撓性﹑薄壁﹑有橫向波紋的管殼零件，其利用金屬材料的彈性來實現(xiàn)所需要的功能，通過改變組件的形狀和尺寸來補償外界載荷，如壓力、集中力、力矩等；當載荷消失后，又恢復到最初的狀態(tài)。金屬波紋管還具有耐壓、密封、耐腐蝕、耐溫度、耐沖擊等多種性能，是一種多功能零部件?，F(xiàn)已廣泛應用于機械﹑航空航天﹑船舶﹑汽車﹑石化﹑能源﹑核工業(yè)等領域。但在連續(xù)采煤機上的使用在國內還屬首次。

1 連續(xù)采煤機的使用工況

連續(xù)采煤機是短壁開采設備的龍頭，在煤礦井下開采中起著至關重要的作用。由于連續(xù)采煤機同時具備截割煤壁、裝煤、運煤及行走的功能，整機元部件較多，而井下巷道寬度及高度有限，因此在整機整體排布很緊湊。受整機空間限制，把油箱設計為一種內嵌式結構，即連續(xù)采煤機的兩個行走機架兼為油箱，由于兩行走機架為相互獨立的個體，這會給油箱內油液流動帶來不利影響，并相應會增加液壓系統(tǒng)元器件個數(shù)，使整機成本增加；所以需要把兩個行走機架即油箱連通。而連續(xù)采煤機的行走機構為主要承力部件，且井下地面凹凸不平，連續(xù)采煤機在工作中的震動和行走時的晃動，會使兩行走機架之間有一定的相對運動。如果使用剛性管路連接油箱，在無緩沖和無卸力的情況下，剛性管路和油箱的使用壽命有限。而使用金屬波紋管連接兩油箱，既可利用金屬波紋管的撓性有效緩解兩油箱之間的相對運動，又可利用金屬波紋管的薄壁特性連通油箱，從而保證了連續(xù)采煤機的連續(xù)可靠運轉。

2 金屬波紋管的結構和原理

2.1 金屬波紋管的結構

作為油箱的連通部件，金屬波紋管首先應保證油路的密封，這就要求金屬波紋管上所有的焊縫均為無縫連續(xù)焊接，保證金屬波紋管腔密閉。連續(xù)采煤機兩行走機架為主要承力部件，且油箱在特定情況下需清理，所以在設計時應考慮金屬波紋管的密封及可拆卸性。金屬波紋管結構如圖1 所示。

在一段金屬波紋管兩端分別焊接一段不銹鋼無縫鋼管，無縫鋼管Ⅰ和無縫鋼管Ⅱ上均開有O 型密封圈槽，用來保持金屬波紋管連接油箱的密閉性；螺紋裝置焊接在無縫鋼管Ⅱ端，方便拆卸金屬波紋管。在無縫鋼管Ⅱ上有一個臺階，起著在安裝中定位金屬波紋管的作用。

圖1 金屬波紋管結構示意圖Fig.1 Metal corrugated pipe structure diagram

圖2 油箱結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of oil tank structure

2.2 金屬波紋管連通油箱的原理

油箱結構示意圖如圖2 所示，圖中油箱Ⅰ為主油箱，主要是從此油箱加油，液壓系統(tǒng)功能元器件從主油箱吸油。油箱Ⅱ作為副油箱，主要是起到儲存油液的功能。油箱Ⅰ和油箱Ⅱ通過金屬波紋管連通，在油箱Ⅰ中，設有一固定座，固定座上連接有一個法蘭盤，用來壓住金屬波紋管，防止外竄。金屬波紋管通過兩端的無縫鋼管把油箱Ⅰ和油箱Ⅱ連通。同時，為防止金屬波紋管連通油箱時連接面有油液泄露，在金屬波紋管兩端的無縫鋼管上預設了四道密封圈，這樣油箱Ⅰ和油箱Ⅱ連通并確保了金屬波紋管腔體的密閉。法蘭盤上增設了導流管，導流管通過螺紋連接在法蘭盤上。導流管的優(yōu)點在于可使油液平緩迂回流動，有利于油液中空氣的分離和污染物的沉淀，同時增大了油液的循環(huán)距離，利于油液散熱。

2.3 金屬波紋管的安裝與拆卸

安裝前，分別在金屬波紋管兩端部安裝合適的O 型密封圈，把金屬波紋管穿過油箱Ⅰ，插入油箱Ⅱ的連接孔中，用力推壓，使無縫鋼管Ⅱ的臺階頂住油箱Ⅱ為止。用法蘭盤壓住金屬波紋管，并擰上固定螺釘，檢查金屬波紋管在此狀態(tài)下有無軸向竄動，無竄動為最佳，這種情況下金屬波紋管上的所有O 型密封圈均處于密封的最好狀態(tài)。若有軸向竄動，需校核金屬波紋管并重新裝配。金屬波紋管裝配完成后，把導流管安裝到位即可。

金屬波紋管是一個薄壁且有橫向波紋的撓性管，在現(xiàn)實中不可對其用力拉扯，否則會使金屬波紋管在波紋處失去彈性，從而喪失其功能。拆卸前，應先準備一個工具（撞錘螺桿）： 一根長約500mm 的鐵桿，桿的一端焊接一段與圖1 中螺紋裝置相匹配的螺紋，中間套一個可順鐵桿滑動的撞錘，桿的另一端焊接一鐵塊，防止撞錘滑出鐵桿。拆卸時應先將導流管、法蘭盤取下，把撞錘螺桿與圖1 中螺紋裝置擰在一起，用力滑動撞錘使其擊打鐵桿另一端的鐵塊，可以把金屬波紋管完好無損地取出。

3 金屬波紋管的選取

3.1 材料的選擇

要選擇出合適的材料，應根據(jù)金屬波紋管的用途、精度要求、工作溫度、載荷大小和種類、工作介質及使用壽命等已知條件，并考慮所選材料的成形工藝和焊接工藝。同時在選擇材料時還應該考慮這種材料的市場來源等因素。綜合以上要素，選取金屬波紋管材料為0Cr18Ni9。該材料金屬波紋管的材料特性如表1 所示。

表1 金屬波紋管材料特性Tab.1 The material properties of metal bellows

3.2 確定結構型式及各參數(shù)

（1）選擇金屬波紋管的波紋形狀為U 型波紋。

（2）金屬波紋管的壁厚可由分析不同的剛度計算公式得出，在總壁厚相同的情況下，多層金屬波紋管的剛度只有單層金屬波紋管的1/Z1.5 或1/Z2。所以同樣的情況下，多層金屬波紋管的變形應力更小。

（3）由金屬波紋管用途已經決定了金屬波紋管兩端的結構，如圖1 所示。

經和金屬波紋管相關生產廠家交流溝通，并查閱相關資料、計算，得出所需要金屬波紋管的具體參數(shù)如表2 所示。

表2 金屬波紋管參數(shù)Tab.2 Metal corrugated pipe parameters

4 計算疲勞壽命

目前國內對于金屬波紋管疲勞壽命計算最常用的方法是EJMA 法，該計算方法適用于設計溫度低于425℃的成形態(tài)奧氏體不銹鋼，能夠滿足常規(guī)金屬波紋管的疲勞壽命計算。以下為金屬波紋管的應力及壽命計算。

（1）內壓引起的縱向薄膜應力：

S1=ph/2mδp

（2）內壓引起的波紋管徑向彎曲應力：

（3）軸向位移引起的波紋管徑向薄膜應力：

（4）軸向位移引起的波紋管縱向彎曲應力：

（5）組合應力：

Sp=S1+S2；Sd=S3+S4; SR=0.7Sp+Sd

（6）疲勞破壞時的循環(huán)次數(shù)：

以上各式中：C2—腐蝕裕量（mm）；Cp、Cd、Cf—有關系數(shù)；Eb—常溫時材料的彈性模量（Mpa）；P—設計壓力（Mpa）；m—波紋管管壁層數(shù)；h—波紋管管高（mm）；e—個波的軸向位移（mm）；δp—波紋管成形后一層材料最小有效厚度；f—疲勞壽命的溫度修正系數(shù)。

對于本文應用的金屬波紋管，由上述公式計算出它的平均疲勞壽命在10655 次左右。

5 使用情況

本文所設計連續(xù)采煤機投入使用以來，整機保證了很高的開機率，油箱連接方面未出現(xiàn)金屬波紋管損壞等方面的故障。在某礦使用中創(chuàng)下了國產連續(xù)采煤機月產最高紀錄： 1500m，國內各在用設備的產量一直保持在年產50wt 以上；同時整機還出口老撾、印度等國家，贏得了用戶的一致好評。

6 結論

（1）采用一種油箱連接用波紋管的結構，實現(xiàn)了連續(xù)采煤機行走機架為油箱的設計。通過對所用金屬波紋管選材、計算以及連續(xù)采煤機在實際中的使用情況，說明金屬波紋管連通油箱的方法是可行的。

（2）金屬波紋管在連續(xù)采煤機中的應用需較長時期的持續(xù)觀察、測試，才能更好地得出金屬波紋管在此種應用下的綜合情況，并對其作出改進。

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