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第 48 卷第 2 期煤 炭 科 学 技 术Vol. 48 No. 2 2020 年2 月Coal Science and Technology Feb.2020 移动扫码阅读 王成军,余汉伟,张子鹏.采煤机齿轨铸件铸造过程模拟及工艺创新设计[J].煤炭科学技术,2020,482164- 170. doi10. 13199/ j. cnki. cst. 2020. 02. 021 WANG Chengjun,YU Hanwei,ZHANG Zipeng.Shearer tooth rail casting process simulation and process innovation design[J].Coal Science and Technology,2020,482164-170. doi10. 13199/ j. cnki. cst. 2020. 02. 021 采煤机齿轨铸件铸造过程模拟及工艺创新设计 王成军1,2,余汉伟1,2,张子鹏1,2 1.深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室,安徽 淮南 232001； 2.安徽理工大学 机械工程学院,安徽 淮南 232001 摘 要针对采煤机齿轨在作业中常出现断裂、销孔破坏等失效现象,为提高采煤机齿轨铸件的力学 性能,保证采煤工作顺利进行,需要对齿轨铸件的铸造成型过程进行深入分析,寻求最优的铸造工艺 方案。 以五节距齿轨为研究对象,运用 ProCAST 软件对齿轨铸件的铸造过程进行数值模拟,通过对 齿轨铸件凝固过程和孤立液相区的模拟结果进行分析,预测出齿轨铸件凝固后产生缩松缩孔缺陷的 位置。 运用 TRIZ 理论对齿轨铸件产生缺陷的原因进行因果分析,并采用物-场模型创新解决工具提 出齿轨铸件工艺优化方案-倾斜浇注工艺方案倾斜模样造型,浇注时砂箱与直浇道不倾斜；或浇注 时将型腔与砂箱、直浇道保持同步倾斜。 运用 ProCAST 软件对 2 种工艺方案进行模拟仿真,结果表 明齿轨铸件内部缩松缩孔缺陷均得到较大改善,但方案一不利于开模造型,且增加了砂箱的高度；方 案二增加了浇注液对直浇道的冲刷,易引起夹砂。 结合 2 种工艺方案的优点,得到最终的优化方案 将模样水平放置造型,浇注时再将型腔与砂箱同步倾斜,保持直浇道竖直状态。 运用 ProCAST 软件 对优化后的倾斜浇注工艺方案进行模拟仿真,结果表明该方案可使齿轨铸件在凝固过程中保持递增 的温度梯度,有效促进齿轨铸件实现顺序凝固,提高了组织致密性,明显改善了缩松缩孔缺陷,缩松缩 孔体积由 2.2％降低为 0.052％。 关键词采煤机齿轨铸件；TRIZ；倾斜浇注；工艺优化；铸造缺陷 中图分类号TD421 文献标志码A 文章编号0253-2336202002-0164-07 Shearer tooth rail casting process simulation and process innovation design WANG Chengjun1,2,YU Hanwei1,2,ZHANG Zipeng1,2 1.State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines,Huainan 232001,China； 2.College of Mechanical Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China 收稿日期2019-10-15;责任编辑赵 瑞 基金项目安徽省自然科学基金面上资助项目1708085ME98；国家创新方法工作专项资助项目2018IM010500 作者简介王成军1978-,男,江苏涟水人,教授,博士,现任机械工业矿山采选装备智能化重点实验室主任。 E-mailcumt1279＠ AbstractIn view of the failure phenomena such as fracture and pin hole damage often occur in the operation of the gear rail of the shear- er, and in order to improve the mechanical perance of shearer rack casting and ensure the smooth progress of coal mining, it is neces- sary to conduct in-depth analysis on the casting and ing process of the rack cutters to find the optimal casting process plan.Taking the five-pitch rack as the research object, and the ProCAST software is used to numerically simulate the casting process of the rack casting. Through the analysis of the simulation results of the solidification process and the isolated liquid phase area of the rack casting, the posi- tion of shrinkage cavity defects after the solidification of the gear rail casting is predicted.The causes and effect of defects in rack casting are analyzed by causal analytical of TRIZ theory. The optimization scheme of rack casting process-inclined casting process is put forward by means of object-field model innovation solution tool inclined pattern modeling, when pouring, the sand box and the straight runner are not inclined； or keep the cavity in sync with the sand box and straight runner during pouring. The results show that the defects of shrinkage cavity in rack casting have been greatly improved, but the first scheme one is not conducive to molding, and increases the 461 万方数据 王成军等采煤机齿轨铸件铸造过程模拟及工艺创新设计2020 年第 2 期 height of the sand box；The second scheme increases the erosion of the pouring sprue by the pouring liquid can easily cause sand inclusion. Combining with the advantages of the two process schemes, the final optimization scheme is obtained the pattern is placed horizontally, the mold cavity and the sand box are inclined synchronously during pouring to keep the vertical runner straight.ProCAST software is used to simulate the optimized inclined pouring process and the results show that this scheme can keep rack rail castings from increasing the tem- perature gradient during the solidification process, effectively promote sequential solidification of rack rail castings, and improve the com- pactness of the structure, and the shrinkage defect is obviously improved. The volume of shrinkage cavity can be reduced from 2.2％ to 0.052％. Key wordsshearer rack casting；TRIZ； inclined pouring； process optimization； casting defects 0 引 言 在铸造成型过程中,受金属材料本身物理性能、 晶体结构、化学性能等因素影响所产生的一系列铸 造缺陷在后期加工中较难去除。 因此,对金属铸造 成型过程的研究尤为重要[1]。 齿轨是刮板输送机 中部槽的关键部件,通过与采煤机行走轮啮合为采 煤机提供牵引力[2]。 煤矿井下作业环境的恶劣性 与复杂性易导致齿轨经常出现齿面损坏、断裂、变 形、销孔破坏等问题,齿轨的失效易破坏与之关联工 作的行走轮、导向滑靴,直接导致采煤作业中断[3]。 因此,提高齿轨结构强度、可靠性及使用寿命非常 必要。 石振军[4]对采煤机齿轨在不同工艺参数下进 行热处理,研究热处理工艺对齿轨的显微组织与力 学性能的影响。 任中全等[5]分析了齿轨在工作中 受到的作用力,并采用有限元分析软件对齿轨进行 应力和应变的数值模拟。 AFFOLTER 等[6]采用有 限元分析法对齿轨进行金相分析与应力分析,揭示 了轮轨间接触的主要局部效应。 冯义宏等[7]采用 覆膜砂负压浇注工艺代替熔模铸造生产五节距齿 轨,有效提高了齿轨密实度,缩短了生产周期。 孙悦 悦等[8]研究使用 V 法铸造工艺生产五节距齿轨,改 善了齿轨铸件的表面光洁度。 在齿轨的铸造生产过程中,采用数值模拟技术 代替传统的“试错法”来优化浇注工艺,既可实现铸 造模拟过程中的可视化,还可预测生产过程中存在 的缺陷,大幅提高生产质量、减低生产成本和缩短生 产周期[9-11]。 笔者基于 ProCAST 软件对齿轨铸件的浇注工 艺进行分析,通过模拟结果来预测铸造缺陷产生 的位置分布情况,运用 TRIZ 理论对齿轨铸件产生 缩松缩孔缺陷的原因进行分析[12-13],对铸造工艺 进行优化与改进,以提高铸件质量与煤矿生产的 效益,降低设备故障率和生产成本,为实际生产提 供参考。 1 齿轨数值模拟 1.1 模型建立及网格划分 运用三维软件建立齿轨铸件的浇注工艺模型, 如图 1 所示。 齿轨材质为 42CrMo4,其液相线温度 为 1 494 ℃,固相线温度为 1 425 ℃,密度随温度升 高而降低。 模型外形尺寸 150 mm180 mm720 mm,质量为 51.37 kg。 因铸钢具有熔点高、流动性 差、收缩大、易氧化等特性,要求金属液快速、平稳地 充型[14]。 浇注方案采用底注式,以减少金属液充型 时受到的阻力,采用一箱 2 件的工艺方案[15]。 在 ProCAST 的 Mestcast 模块中对模型进行网格剖分, 设定铸件网格长度为 5 mm,箱体网格长度为 10 mm,并生成体网格。 模型生成的节点数 350 306,单 元数 8 190 647。 图 1 浇注工艺模型 Fig.1 Pouring process model 1.2 工艺参数确定 所选齿轨模型的化学成分见表 1,其热物性参 数见表 2。 表 1 齿轨化学成分 Table 1 Chemical composition of rack％ wCwSiwMnwSwCrwMo 0.38～ 0.45 ≤0.40 0.60～ 0.90 ≤0.035 0.90～ 1.20 0.15～ 0.30 模拟试验中采用树脂砂作为砂型材质,砂箱外 轮廓面的边界条件设置为空冷,界面换热系数设置 为 500 W/ m2K；根据铸钢件的有效浇注时间计 算公式,设置浇注时间为 11 s,浇注温度为 1 560 561 万方数据 2020 年第 2 期煤 炭 科 学 技 术第 48 卷 ℃,砂型温度为 25 ℃,浇注方式为重力浇注[16]。 表 2 齿轨热物性参数 Table.2 Thermal physical parameters of rack 温度/ ℃ 热导率/ Wm -1 K -1 热函/ kJkg -1 密度/ gcm3 18545.4359.377.77 48536.61240.267.66 78526.39551.187.62 1 08529.35736.787.46 1 38533.06936.577.31 1.3 模拟结果分析 通过对齿轨铸件进行数值模拟,得到铸件在凝 固分数为 30％、50％、70％、90％的温度场图像如图 2 所示。 由图 2a 可知,铸件处于液态收缩阶段,冒口 和齿轨内部温度较高；由图 2b 可知,铸件处于凝固 收缩阶段,齿轨外边缘位置开始凝固,齿轨厚壁中心 与边缘部位温差较明显；由图 2c 可知,冒口与铸件 中心温度仍处于固相线以上,而铸件与冒口相连接 的位置已经凝固,此时冒口不能实现对铸件中心的 补缩效果；由图 2d 可知,铸件绝大部分位置处于凝固 图 2 铸件凝固过程的温度场图像 Fig.2 Temperature field image of casting solidification process 状态,铸件厚壁中心位置存在明显的孤立液相区,可 能使铸件产生缩松缩孔缺陷。 凝固分数为 90％的孤立液相区如图 3 所示,灰 色部分为铸件内部出现孤立液相区的位置。 铸件缩 松缩孔位置分布情况如图 4 所示,缩松缩孔总体积 为283.50 mL,缩孔体积达到141.21 mL,占缩松缩孔 体积的 49.81％,占铸件体积为数 2.2％,其孔隙体积 严重超标,齿轨质量不合格,因此需对浇注工艺进行 改进。 图 3 孤立液相区图 Fig.3 Isolated liquid region map 图 4 缩松缩孔缺陷分布 Fig.4 Shrinkage defect distribution 2 基于 TRIZ 理论的齿轨工艺创新设计 TRIZ 理论是创新设计研究领域中最有影响力 的创新方法之一,其核心优势在于开发了一套系统 化的解决发明问题的思维流程,并辅以完善的知识 库,对解决工程技术类问题效果显著[17-18]。 2.1 问题描述 齿轨铸件原生产工艺为熔模铸造,但熔模铸造 生产齿轨工序多,生产周期长,工序流转过程中原材 料及型壳的损失较大；且铸件易发生变形、夹砂、夹 皮、漏壳、麻面等缺陷,铸件一次合格率较低,需要经 661 万方数据 王成军等采煤机齿轨铸件铸造过程模拟及工艺创新设计2020 年第 2 期 过手工修复,产品质量控制困难。 为简化齿轨的生 产工艺,减少生产周期,降低成本,选择重力砂型铸 造工艺,而齿轨在重力浇注生产过程中存在严重的 缩孔、缩松缺陷。 因此,提高齿轨铸件质量,减少铸 造缺陷的关键在于设计出一种浇注效率高、浇注质 量好的浇注工艺。 2.2 因果轴分析 通过分析现有齿轨铸件存在的断裂、变形、缩 松、缩孔等问题,得到如图 5 所示的因果分析图。 由 图 5 可知,齿轨铸件产生缩松缩孔的原因如下①浇 注工艺的缺陷使齿轨铸件在浇注过程中浇注液分布 不均匀；②齿轨铸件在液态收缩与固态收缩过程中 得不到足够的金属液补缩；③合金钢液在充型与凝 固过程中流动性差；④合金钢液在凝固过程中无法 保持递增的温度梯度,顺序凝固效果较差。 图 5 齿轨铸件因果分析 Fig.5 Causality analysis of Rack casting 2.3 物-场模型 由图 5 可知,通过在砂箱内增设冒口,可改善铸 件因液态收缩与固态收缩过程中得不到足够金属液 补充产生的缺陷。 金属液在铸型腔内流动性差,顺 序凝固效果差,导致铸件易产生缩松缩孔,是个效应 不足的场,如图 6 所示。 图 6 齿轨铸件问题模型 Fig.6 Problem model of rack casting 应用物场分析法中的一般解法 6,即引入物质 S3和另一个场 F2提高铸件凝固的有用效应,如图 7 所示。 引进一机械装置在浇注之前将铸型倾斜一定 角度,可以提高金属液在型腔内的流动性,促进铸件 的顺序凝固。 也有助于减少浇注过程中气孔和杂质 的卷入,减少缩松、缩孔的体积。 图 7 解决方案模型 Fig.7 Solution model 2.4 具体方案 根据因果分析法与物-场模型,设计倾斜浇注 方案如下 1方案一在造型时仅倾斜模样的情况下,倾 斜角度设置为 20,在 ProCAST 中进行数值模拟分 析,得出齿轨铸件缩松、缩孔位置的分布情况,如图 8 所示。 图 8 缩松缩孔缺陷分布 Fig.8 Shrinkage defect distribution 由图 8 可知,齿轨铸件中缩松、缩孔的总体积为 30.42 mL,缩孔体积为 6.67 mL。 其中,缩松、缩孔的 体积占铸件体积分数为 0.096％,方案一中缩松、缩 孔缺陷较原始方案有一定的改善。 2方案二模样水平造型,浇注时将型腔与砂 箱、直浇道同步倾斜,倾斜角度设置为 20,在 Pro- CAST 中进行数值模拟分析,得到齿轨铸件缩松、缩 孔位置的分布情况,如图 9 所示。 由图 9 可知,齿轨 铸件中缩松、缩孔的总体积为 17.76 mL,缩孔的体 积为 3.25 mL。 其中,缩松、缩孔的体积占铸件体积 分数为 0.056％,方案二中缩松、缩孔的改善效果 761 万方数据 2020 年第 2 期煤 炭 科 学 技 术第 48 卷 较好。 图 9 缩松缩孔缺陷分布 Fig.9 Shrinkage defect distribution 方案一造型时只倾斜模样,模样与浇注系统的 位置不便布置；模样倾斜而砂箱不倾斜,导致砂箱高 度增加,且在砂箱内增加角度调节装置不便,砂箱的 空间利用率低。 而方案二在浇注过程中,当型腔、砂 箱和直浇道都倾斜时,会加重浇注液对直浇道的冲 刷作用,从而增加了铸件产生砂眼和夹砂缺陷的可 能性。 将方案一和方案二优化组合后可得到新的浇注 工艺优化方案,如图 10 所示。 即型腔与砂箱倾斜, 直浇道不倾斜。 砂箱采用三箱造型,通过模样辅助 定位装置约束模样和浇口棒在标准位置；在砂箱底 部增加角度调节装置,调节砂箱与模样的倾斜角度； 采用底注式充型方式,可增加型腔内金属液充型平 稳性,还有助于型腔内气体的逸出,减少铸件内气 孔；通过在齿轨铸型型腔顶部设置明冒口,对孤立液 相区进行补缩,提高铸件组织的致密性。 1-角度调节装置；2-砂箱；3-冒口；4-铸型；5-浇注系统 图 10 齿轨铸件浇注工艺方案 Fig.10 Gear rack casting process plan 3 齿轨浇注工艺优化方案数值模拟 对优化后的齿轨浇注工艺方案进行数值模拟, 其中砂箱的倾斜角度设置为20,浇注时间设置6 s, 其他数值模拟的参数与优化前的方案一致[7]。 通 过对齿轨铸件充型过程与凝固过程的模拟,得到铸 件在凝固分数为 30％、50％、70％、90％的温度场图 像,如图 11 所示。 图 11 铸件凝固过程的温度场图像 Fig.11 Temperature field image of casting solidification process 861 万方数据 王成军等采煤机齿轨铸件铸造过程模拟及工艺创新设计2020 年第 2 期 由图 11 可看出,在凝固过程中齿轨内部与冒口 区域温度较高,铸件由下向上开始凝固,冒口最后凝 固,冒口的金属液可有效地对铸件内部进行补缩,由 于冒口良好的补缩效果,则不会出现较大范围的孤 立液相区[19]；由图 11c 可看出,铸件底端向冒口保 持递增的温度梯度,可增强顺序凝固的效果。 而顺 序凝固是避免或者减少铸钢件缩松缩孔缺陷的有效 凝固方式[20]。 铸件凝固完成后缩松、缩孔缺陷出现的位置情况 分布如图 12 所示。 缩松、缩孔缺陷总体积为 16.97 mL,缩孔体积为 3.11 mL。 占铸件体积分数 0.052％。 优化后浇注方案的缩孔缺陷有了明显改善；同时,合 适的倾斜角度可以提高浇注效率,有助于铸件内气孔 的逸出,进而提高了齿轨铸件的质量。 图 12 缩松缩孔缺陷分布 Fig.12 Shrinkage defect distribution 4 结 论 1采用 TRIZ 理论中的因果分析法对齿轨铸件 产生缩松缩孔的原因进行分析,得到铸钢液的流动 性差、铸件的顺序凝固效果差是导致铸件产生缩松 缩孔的主要原因。 采用物-场模型创新工具,提出 倾斜浇注工艺方案。 2通过对倾斜浇注工艺方案进行模拟分析,铸 件的缩松、缩孔缺陷得到很大改善,由原来占铸件体 积百分比的 2.2％降为 0.052％。 3对于齿轨类长条型铸件,采用倾斜浇注工艺 进行浇注,可使铸件底端向冒口保持递增的温度梯 度,增强顺序凝固的效果。 4仅对采煤机齿轨铸件的倾斜浇注工艺方案 进行模拟仿真试验,尚需通过现场浇注试验进行验 证。 还可在现有方案基础上对铸型施加三维高频振 动,采用倾斜振动的方案,进一步减少铸造缺陷, 提高力学性能。 参考文献References [1] 冯 艳,陈 超,彭超群,等. 镁基复合材料的研究进展[J].中 国有色金属学报,2017,2712 2385-2407. 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