采煤機齒輪軌熱處理工藝改進數(shù)值模擬

李坤飛

(陽煤集團二礦，山西 陽泉 045000)

0 引 言

現(xiàn)代大部分礦井工作面使用的采煤機均是通過銷排和齒輪軌的嚙合進行移動行走的。采煤機的行走機構一方面對機體進行支撐，另一方面負責采煤機的移動，采煤機在截割煤體過程中，煤體會施加較大的載荷，再則采煤機機體的重量較大，故采煤機齒輪軌所承擔的載荷較為明顯，在較大的沖擊作用下容易發(fā)生失穩(wěn)。此外，采煤機的開采條件惡劣，開采引起的粉塵會大量落入銷排和齒輪軌上，加大二者嚙合過程的工作阻力，增加了磨損，而該條件下如果采煤機處于低速重載狀態(tài)，則銷排和齒輪軌間嚙合時形成的接觸應力增加，會進一步加重齒輪的磨損，嚴重時會形成斷齒現(xiàn)象，對齒輪軌進行頻繁的更替會嚴重影響礦正常開采，故在齒輪軌材料選擇和設計方案不變的情況下，對其進行合理的熱處理可以提高齒輪軌的強度和剛度，進而增加其服務壽命，基于此，筆者主要通過數(shù)值模擬的方法改進采煤機齒輪軌的熱處理工藝，從而為現(xiàn)場實際提供一定的借鑒意義。

1 熱處理工藝

熱處理就是對金屬材料進行加熱-保溫-冷卻，從而通過改變其內(nèi)部微觀結構的方法來提高金屬材料的力學特性，通過熱處理工藝，金屬材料的韌度和硬度等均會發(fā)生改變[1]。此外，通過熱處理可以明顯減輕鍛造以及焊接等工藝形成的缺陷，細化晶粒，對機械加工特性進行改觀，故在改善機械加工特性領域中熱處理工藝占有重要作用。

化學熱處理[2]就是在特定的介質中對材料進行加熱和保溫，在這過程中介質中活躍的原子會逐步滲入到材料表面，從而對材料表面的微觀組織進行改變，進而對其表面性能進行改善?；瘜W熱處理的主要功能及時提高材料表面的剛度、硬度和疲勞強度，有時也會提高材料的抗氧化特性。對于采煤機齒輪軌而言，要求在惡劣的環(huán)境中齒輪的硬度和剛度較高，同時具有明顯的耐磨性，一般齒輪軌的制作材料為低碳鋼，對該材料進行合理的熱處理可以提高其表面性能，從而使之滿足穩(wěn)定開采的要求。

研究的采煤機齒輪軌制造材料為電渣重熔鋼，該材料與電爐鋼相比，橫縱向的性能差距小，也就是力學特性較為接近，韌性表現(xiàn)也較為良好。在化學熱處理工藝中根據(jù)滲入元素的不同可將熱處理分為滲碳、滲氮以及碳氮共滲三類。本次熱處理后要求齒輪軌的表面硬度在57～62 HRC之間，芯部硬度在34～44 HRC之間；電渣重熔鋼的含碳量在0.14%～0.2%之間，而滲碳所用鋼的含碳量在0.11%～0.24%之間，故擬通過滲碳工藝來進行熱處理。通常情況下礦井通過增加滲碳層的厚度來提高齒輪軌的硬度和耐磨特性，但本次所研究的采煤機功率較高，開采高度較大，且需適應不同開采環(huán)境的作業(yè)條件。

齒輪軌的熱處理工序較多，滲碳前的工藝包括正火和高溫回火，這是為了對材料的磨削特性進行改善，滲碳后的坑冷工藝是為了提高材料的表面硬度和耐磨特性，三次高溫回火是為了析出碳原子，而緊接著的淬火和低溫回火是為了進一步增加材料的表面硬度和耐磨特性，最后一道工序為噴丸。滲碳溫度為950°，滲碳時間為120 h，時間較久，雖然這樣加大了滲碳層的厚度，但這樣不僅提高了加工成本和生產(chǎn)時間，而且會對材料造成較為顯著的損壞，故需要減小滲碳的時間。

2 滲碳工藝的改進分析

電渣重熔鋼為高淬透性的合金滲碳鋼，滲碳溫度依然選擇為950°，考慮到現(xiàn)有的熱處理設備，將滲碳的過程劃分為三次進行。當溫度為950°時滲碳系數(shù)為0.39，本次要求滲碳層的厚度達到6 mm，故根據(jù)公式(1)可得每次進行滲碳的時間為30 h：

(1)

式中：δ為滲碳層厚度；τ為滲碳時間。保溫時間通過公式(2)計算：

(2)

式中：T為保溫時間；D為保溫工作完成后表面碳量和材料碳量的差值；C為材料碳量和初始碳量的差值。

電渣重熔鋼的含碳量在0.14%～0.2%之間，而保溫工作完成后要求表面碳量在0.75%～1.1%之間，故最終確定保溫時間為18 h。則改進的滲碳工藝為：滲碳的過程劃分為三次進行，滲碳溫度950°，每次進行滲碳的時間為30 h，保溫時間為18 h。

3 滲碳工藝的數(shù)值模擬分析

本次所用的數(shù)值模擬軟件為Deform-3D軟件，該軟件主要用于金屬成型過程的研究，通過對改進的滲碳工藝進行數(shù)值模擬分析可對其合理性進行驗證。Deform-3D三維理論是在修正的朗格朗日定理基礎上對金屬的彈塑性特征進行研究，而且在建立模型時網(wǎng)格劃分較為簡便，當劃分的網(wǎng)格變形量超過預定值時會自動進行重新劃分[3]；Deform-3D中建模劃分的四面體網(wǎng)格是特殊處理過的，由于該網(wǎng)格的特殊性導致了較小的模擬誤差。

電渣重熔鋼的含碳量和氣氛碳勢間的關系決定了其狀態(tài)是滲碳還是脫碳，當含碳量低于氣氛碳勢時，處于滲碳狀態(tài)，當含碳量高于氣氛碳勢時，處于脫碳狀態(tài)，故在模擬過程中需要使得氣氛碳勢式中處于材料的含碳量以上。在模擬滲碳工藝過程中，材料表面碳勢會隨著滲碳時間的延長而不斷增大，而表面碳勢與氣氛碳勢的差值為滲碳的動力所在。建立的齒輪軌模型如圖1所示。

考慮到計算機的工作負荷，又為了保持計算精度，模擬過程中選擇齒輪軌單齒(見圖2)為模擬對象，劃分網(wǎng)格為20 000個，對齒輪軌半齒的局部進行細化網(wǎng)格處理，模擬過程主要分為正火-三次滲碳-高溫回火。

圖1 模擬所建的齒輪 圖2 模擬過程中選擇餓齒輪 軌模型示意圖 軌單齒示意圖

在模擬分析前，設置齒輪軌半齒的兩個對稱面為邊界條件(見圖3(a))，如果不對研究模型進行約束則在模擬過程中齒輪軌半齒會發(fā)生變形，而實際化學熱處理過程中Z方向是不會發(fā)生變形的，故對模型內(nèi)部右下角的端點出施加Z方向的約束條件(見圖3(b))。本次模擬設置齒輪軌半齒的外齒面為熱交換區(qū)域和滲碳區(qū)域，如圖4所示。

圖3 模擬前施加的初始圖4 熱交換區(qū)域和滲 條件示意圖 碳區(qū)域示意圖

由上文可知，模擬滲碳工藝為3次，每次完成滲碳工藝后得到的碳濃度分布特征分別如圖5(a)～(c)所示。

通過對模擬結果統(tǒng)計分析可得，三次滲碳工藝后，齒輪軌半齒表面碳濃度增大到了1.31%，最小含碳量也從0.12%增大到了0.13%，而三次滲碳后的滲碳層厚度分別達到了3.98 mm、5.94 mm以及6.95 mm，該值要超過預定的滲碳層厚度(6 mm)，而二次滲碳后的滲碳層厚度與預定值相差較小，故說明二次滲碳工藝便可滿足生產(chǎn)的需求。為了研究齒輪軌半齒不同位置的滲碳效果，得到了滲碳過程中齒輪軌半齒4處位置碳濃度的變化趨勢，如圖6所示。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在滲碳過程中半齒不同位置碳濃度的變化趨勢大致相同，總體上，半齒根部碳濃度的升高速率要略低于齒輪頂部碳濃度的升高速率，由此可見，齒輪軌半齒不同位置的滲碳效果有所差異，但差距較小。齒輪軌半齒內(nèi)部不同位置碳濃度隨時間的變化特征如圖7所示。

圖5 每次完成滲碳工藝后得到的碳濃度分布示意圖

圖6 滲碳過程中齒輪軌半齒不同位置碳濃度的變化趨勢示意圖

從圖7中可以看出，隨著時間的延長，半齒內(nèi)部不同位置碳濃度變化趨勢均表現(xiàn)為先增大后保持不變的特征，但碳濃度的增大速率和最終的碳濃度不同，總體上，越接近齒輪軌半齒表面，碳濃度愈大，究其原因，碳濃度的差異是碳原子滲入的動力，越往齒輪軌半齒內(nèi)部，碳原子滲入的阻力越大，難度越高。

圖7 齒輪軌半齒內(nèi)部不同位置碳濃度隨時間的變化特征示意圖

4 結 語

本文主要通過數(shù)值模擬的方法改進采煤機齒輪軌的熱處理工藝，從而為現(xiàn)場實際提供一定的借鑒意義。得到主要結論為：對滲碳工藝進行了改進，確定滲碳的過程劃分為三次進行，滲碳溫度950°，每次進行滲碳的時間為30 h，保溫時間為18 h；對改進的滲碳工藝進行了數(shù)值模擬分析，認為二次滲碳后的滲碳層厚度與預定值相差較小，故說明二次滲碳工藝便可滿足生產(chǎn)的需求；齒輪軌半齒不同位置的滲碳效果有所差異，但差距較小。