熱變形設(shè)計(jì)理論在煤礦設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

郭小明， 趙曉兵

（1.山西省陽(yáng)泉固莊煤礦， 山西 陽(yáng)泉 045011； 2.山西中永通機(jī)電設(shè)備制造有限公司， 山西 太原030006）

煤礦設(shè)備一直以“笨、大、黑、粗”外觀和視野給人留下深刻影響，在千萬(wàn)噸礦井生產(chǎn)裝備條件下，這一形象隨著技術(shù)進(jìn)步，理念創(chuàng)新設(shè)計(jì)拋棄了“粗放型”設(shè)計(jì)這一陳舊理念，過(guò)去以體積、質(zhì)量等物理量作為工作壽命保障體系的舊的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)已徹底退出舞臺(tái)，新的工作壽命保障體系依靠更科學(xué)的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)失穩(wěn)判定理論[1]，在失效機(jī)理分析基礎(chǔ)上逐步建立新的工藝路線和技術(shù)措施來(lái)適應(yīng)煤礦裝備發(fā)展的需要。

1 設(shè)備生命周期曲線基本特點(diǎn)

煤礦裝備使用環(huán)境復(fù)雜不確定因素影響多，所以設(shè)計(jì)安全裕度系數(shù)大；決定了其基本尺寸及質(zhì)量比常規(guī)工業(yè)設(shè)備要大得多，重得多，但是隨著技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)能的擴(kuò)大，單一依靠設(shè)計(jì)安全裕度系數(shù)不僅不能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)思想，而且也是不科學(xué)的。筆者多年跟蹤井下機(jī)械設(shè)備損壞狀況，對(duì)設(shè)備生命周期曲線進(jìn)行了分析，見(jiàn)圖1。

由圖1得出，與煤炭生產(chǎn)量緊密關(guān)聯(lián)部件：如輸送刮板、割煤部搖臂、洗煤廠篩板等機(jī)械設(shè)備生命周期曲線非常相似，使用壽命在煤礦高強(qiáng)度生產(chǎn)情況下使用壽命時(shí)間很短，這也證明了體積，質(zhì)量等物理量作為工作壽命保障體系的實(shí)踐依據(jù)。但是也看到這樣一個(gè)現(xiàn)象：磨損曲線初期平滑磨損量很小，進(jìn)入穩(wěn)定期后這一現(xiàn)象與產(chǎn)量線性關(guān)系很好，圖2為煤礦機(jī)械設(shè)備基本磨損曲線。

圖1 煤礦運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備生命周期曲線

2 熱變形設(shè)計(jì)理論的提出

溫度引起的熱變形誤差對(duì)機(jī)械與儀器精度的影響歷來(lái)是受人們關(guān)注的問(wèn)題,特別是在精密工程和微納米測(cè)量技術(shù)等現(xiàn)代精密技術(shù)中[2]，熱變形誤差的影響尤為突出[3]，成為影響精度的主要因素。零件形體尺寸并不完全是熱脹冷縮,也存在“熱縮冷脹”的現(xiàn)象;精密零件形體的熱變形存在微觀尺度的非相似性;現(xiàn)行材料熱膨脹系數(shù)定義標(biāo)準(zhǔn)具有近似性,不能反映材料本身的屬性,應(yīng)該提出更科學(xué)、更準(zhǔn)確的材料熱膨脹系數(shù)。零件形體受溫變形的影響因素極其復(fù)雜,傳統(tǒng)的計(jì)算公式具有不準(zhǔn)確性,沒(méi)有考慮形體邊界條件的復(fù)雜性和熱變形之間的關(guān)系[4]，也沒(méi)有考慮熱變形前熱效應(yīng)所導(dǎo)致的熱變性問(wèn)題，圖2所掲示的煤礦機(jī)械設(shè)備基本磨損曲線現(xiàn)象表明，設(shè)備的熱源是磨損導(dǎo)致的，熱變形形成是有條件的，只要直接磨損產(chǎn)生的熱量E磨損-E損失大于零才會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，而且只要E磨損-E損失的值大于設(shè)備材料決定的變形變性能量值才會(huì)產(chǎn)生變性和變形，這一磨損就會(huì)加劇，就會(huì)真正影響設(shè)備使用壽命，產(chǎn)生線性很陡的摩損運(yùn)行現(xiàn)象，設(shè)備熱變形設(shè)計(jì)理論的要點(diǎn)就是使得設(shè)備在工作條件下遠(yuǎn)離熱變形熱變形發(fā)生的邊界條件，具體講就是E磨損-E損失盡量小，形體邊界條件的復(fù)雜性可以解決熱變形問(wèn)題。

3 煤礦機(jī)械設(shè)備失效分析

煤礦運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備失效形式以磨損、腐蝕、沖擊多種形式疊加為主，最后導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷，直至結(jié)構(gòu)破壞失效，基本技術(shù)路線采用耐磨性和強(qiáng)度好的材質(zhì)，但是大量實(shí)踐證明失效現(xiàn)象依然大量存在，因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中，不可避免的熱效應(yīng)使得材質(zhì)在局部變化很大，加工裂紋或者材質(zhì)局部改性這為產(chǎn)品安全性留下大量隱患[5]，高等級(jí)材質(zhì)熱變形問(wèn)題一直是業(yè)內(nèi)難題，圖3為耐磨性增強(qiáng)材料與加工裂紋影響率統(tǒng)計(jì)圖表。只有選擇耐磨性和強(qiáng)度好一些，加工熱效應(yīng)導(dǎo)致變形不明顯的材質(zhì)滿足工程需要，這一思想解決了加工熱效應(yīng)產(chǎn)生隱患問(wèn)題，但是磨損問(wèn)題依然不能滿足生產(chǎn)需要，加厚效果不明顯，而且磨損加劇特征明顯，也不符合減量化要求。

煤礦運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備失效形式深層次分析：磨擦產(chǎn)生熱集聚效應(yīng)，耐磨性減弱這一過(guò)程腐蝕性加強(qiáng)，沖擊耐壓能力減弱，多效應(yīng)疊加，磨損導(dǎo)致變形發(fā)生，磨損以加速方式進(jìn)行，煤礦生產(chǎn)過(guò)程熱效應(yīng)問(wèn)題煤礦機(jī)械設(shè)備失效的根本性原因[6]，這一過(guò)程的形成是與煤礦流程化生產(chǎn)形式相一致的，物流長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行使得接觸溫度T與磨損效應(yīng)極致一致，不僅磨損量足夠，而且對(duì)材料改性效應(yīng)，沖擊耐壓能力減弱，多效應(yīng)疊加，導(dǎo)致變形發(fā)生，將綜合效應(yīng)放大到最大，加速磨損效應(yīng)發(fā)生也就是顆粒剝離現(xiàn)象發(fā)生，煤礦機(jī)械設(shè)備失效形成。

4 煤礦運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備失效對(duì)策

熱效應(yīng)是磨損（摩擦）產(chǎn)生的，構(gòu)造一磨損形式使得熱效應(yīng)在這一磨損形式下不能產(chǎn)生加劇磨損的熱量，也就是使得磨損不致產(chǎn)生多效應(yīng)疊加模式，這樣磨損就遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)損傷，也就不能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞這一形式出現(xiàn)。

針對(duì)這一磨損形式，現(xiàn)有的通用對(duì)策是在現(xiàn)有割煤部搖臂上進(jìn)行菱花堆焊的方法，其原理是菱花堆焊使得搖臂與煤體不能產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，在摩擦過(guò)程中不產(chǎn)生大量的熱量，圖4為搖臂菱花焊接外形圖。

圖4 為搖臂菱花焊接外形圖

具體實(shí)施方式：菱花堆焊對(duì)材質(zhì)基本沒(méi)有影響，但是堆焊體耐磨性遠(yuǎn)高于本體材質(zhì)，原因是堆焊體體積小，加工時(shí)間短，熱累積效應(yīng)不能產(chǎn)生裂紋效應(yīng)。

具體實(shí)施措施后煤礦運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備磨損及熱效應(yīng)分析：菱花堆焊凸起效應(yīng)使得物體流過(guò)產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦效應(yīng)為滾動(dòng)摩擦效應(yīng)或靜摩擦，當(dāng)發(fā)生滑動(dòng)摩擦?xí)r由W=F·X可知會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而且由于煤礦運(yùn)輸機(jī)械屬于連續(xù)作業(yè)，沒(méi)有可以耗散熱量的時(shí)間與空間，當(dāng)運(yùn)輸設(shè)備發(fā)生磨損及熱效應(yīng)時(shí)無(wú)法得以緩解，相反會(huì)愈加嚴(yán)重，所以磨損產(chǎn)生熱集聚效應(yīng)遠(yuǎn)離于磨損加劇發(fā)生條件范圍，而且菱花堆焊凸起起加強(qiáng)筋的作用，抗沖擊性及設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)很多；結(jié)構(gòu)壽命增加是很大的，沒(méi)有堆焊到的地方一般承受的沖擊力不會(huì)很大，而且抗沖擊等級(jí)增加量足夠抵消這一沖擊力，但是其磨損幾乎可以忽略；菱花堆焊凸起可以足夠抵消這一磨損是其生產(chǎn)周期內(nèi)需要考慮的首要參數(shù)，耐磨特性，再附加磨損量不大，這一技術(shù)參數(shù)極易實(shí)現(xiàn)；更進(jìn)一步，菱花堆焊再下一次設(shè)備檢修時(shí)由于堆焊加工特性可以使得設(shè)備修復(fù)如新，下頁(yè)圖5為煤礦運(yùn)輸機(jī)械設(shè)備遠(yuǎn)離熱效應(yīng)磨損條件下設(shè)備生命周期曲線，其特征使用壽命時(shí)間幾乎是原設(shè)計(jì)的2倍。

洗煤廠針對(duì)篩板磨損一般采用襯板方式，磨損到一定時(shí)候直接更換襯板即可，這樣保證了設(shè)備整體壽命曲線的完美。

5 結(jié)語(yǔ)

圖5 設(shè)備生命周期曲線

借助于系統(tǒng)失穩(wěn)判定遠(yuǎn)離失效工作點(diǎn)這一工程思想，基于熱變形設(shè)計(jì)理論分析礦山生產(chǎn)設(shè)備主要在摩擦工作狀態(tài)下的失效形式，結(jié)合材料分析、工藝分析、運(yùn)行分析、維護(hù)分析證明菱花堆焊耐磨加強(qiáng)是現(xiàn)階段非常有效的技術(shù)手段，使得既滿足了大型工作面對(duì)運(yùn)輸設(shè)備減量化設(shè)計(jì)的要求，又為設(shè)備壽命周期提供技術(shù)保障，使得煤礦設(shè)備“笨、大、黑、粗”外觀得以根本改觀。