履帶板銷耳斷裂故障分析及改進對策

蓋巍巍，席亞兵

三一重型裝備有限公司 遼寧沈陽 110027

掘進機履帶板傳遞驅(qū)動力并承受設(shè)備機身重力，其工作環(huán)境惡劣，載荷變化劇烈。目前履帶板主要采用合金材料制造，制造方法主要有鍛造和鑄造，但是鍛造履帶板比鑄造的成本高 10 余倍，故鑄造履帶板的使用更為廣泛。

現(xiàn)有某型號掘進機履帶板在使用過程中發(fā)生了銷耳斷裂故障，該履帶板采用的是鑄造工藝，使用環(huán)境為硬巖工況，巖石硬度為F8～F9，掘進機在進尺至245 m 時發(fā)現(xiàn)履帶板銷耳斷裂，為準確地找出故障原因，在履帶板返廠后對其進行了化學成分和機械性能檢驗，從設(shè)計參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量及使用工況 3 個方面進行了分析，根據(jù)分析結(jié)果找出故障原因，并制定改進對策，為履帶板的設(shè)計、制造及故障分析提供了借鑒和幫助。

1 設(shè)計參數(shù)

履帶板輪廓尺寸為 720 mm×275 mm×120 mm，鑄件主體壁厚為 90 mm，最小壁厚為 15 mm，銷耳厚度為 17 mm，履帶板左右兩側(cè)各有一個銷孔，考慮澆注過程中的流動性，盡量將履帶板的壁厚做到均勻過渡[1]，履帶板材料為 ZG30CrMnSi。

1.1 履帶板受力狀況

履帶板工作過程中受到拉力F1、掘進機重力G1以及地面摩擦力F23 種力的作用[2]。

掘進機重力G=1 200 000 N，行走部輸出轉(zhuǎn)矩T=220 000 N·m，驅(qū)動輪節(jié)圓直徑D=965 mm，掘進機行走部單側(cè)支重輪數(shù)量b=10 個。驅(qū)動輪的拉力F1、履帶板承受掘進機重力G1以及地面摩擦力F2的計算公式如下：

驅(qū)動輪的拉力

F1=2T/D=2×220 000/0.965=4.56×105N，履帶板承受掘進機重力

G1=G/2b=1 200 000/2×10=6×104N，地面摩擦力

F2=0.1G/2=6×104N。

1.2 履帶板有限元分析

在Creo 中創(chuàng)建履帶板三維模型，將模型簡化并導入 ANSYS 軟件中。設(shè)置履帶板材料為 ZG30CrMnSi，泊松比為 0.3，彈性模量為 206 GPa，密度為 7 850 kg/m3，屈服強度為 490 MPa。模型采用自由網(wǎng)格劃分，設(shè)置網(wǎng)格大小為 25 mm，得到 35 557 個節(jié)點和20 791 個單元。為保證銷耳應力分析結(jié)果更準確，將銷耳處網(wǎng)格進行加密。

按履帶板實際受力進行加載，給履帶板施加驅(qū)動力F1、掘進機重力G1和地面摩擦力F2，選擇銷耳及履帶板底面進行全自由度約束，加載結(jié)果如圖 1～3所示。

圖1 履帶板加載云圖

圖2 履帶板應力云圖

圖3 履帶板變形云圖

由圖 2、3 可知，履帶板在該加載條件下的最大應力值為 133.77 MPa，位于履帶銷耳根部。履帶板最大變形量為 0.151 95 mm，位于履帶板中間銷耳處。履帶板材料 ZG30 CrMnSi 的屈服強度為 490 MPa，由此得出履帶板設(shè)計安全系數(shù)

n=490/133.77=3.66，

由此可知產(chǎn)品安全系數(shù)足夠。

2 產(chǎn)品質(zhì)量

2.1 化學成分分析

分析故障履帶板的化學成分[3]，分析結(jié)果如表 1所列，符合設(shè)計要求。

表1 故障履帶板檢驗化學成分 %

2.2 力學性能檢驗

故障履帶板取樣如圖 4 所示，對該樣件進行硬度及機械性能檢驗，結(jié)果如表 2 所列，檢驗結(jié)果符合設(shè)計要求。

圖4 故障履帶板樣件

表2 故障履帶板硬度及機械性能檢測

2.3 宏觀端口分析

將故障履帶板清洗后，發(fā)現(xiàn)斷口處金屬液融合不理想，斷面光滑，邊緣呈圓角，符合鑄造冷隔缺陷的特征，如圖 5 所示。

圖5 故障履帶板銷耳斷口

2.4 金相分析

在斷口處取樣進行金相觀察，金相組織為 4 級回火索氏體，少量條狀、塊狀鐵素體，金相組織合格。夾雜物按 TB/T 2451—1993 評定為Ⅲ型 (點狀)夾雜物(粗系)1 級，夾雜物合格。

3 使用工況

現(xiàn)場底板狀況良好，截割斷面寬為 5.2 m，高為5.8 m，巖石硬度為F8～F9，進尺數(shù)為 245 m，巖石硬度及巷道尺寸在設(shè)備允許使用參數(shù)范圍內(nèi)，且設(shè)備進尺數(shù)較少，排除工況原因。

結(jié)合設(shè)計參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量及使用工況 3 種因素，分析可知，此次故障是鑄造冷隔缺陷導致。

結(jié)合鑄造廠家鑄造工藝、澆注模具等因素，分析冷隔缺陷產(chǎn)生的原因，并給出改進方案。

4 冷隔缺陷產(chǎn)生原因

金屬液充型后，金屬液的交接處融合不理想，在鑄件中產(chǎn)生穿透或不穿透的縫隙，稱之為冷隔。冷隔多出現(xiàn)在遠離流道的鑄件表面和薄壁處，形狀為金屬液初流動時的形狀，表面光滑，邊緣呈圓角。冷隔產(chǎn)生的原因包括金屬液化學成分不合理、出爐與澆注溫度低、澆注模具設(shè)計不合理、內(nèi)澆道位置不當、斷面面積過小等[4]，與鑄造廠家溝通后，總結(jié)本次鑄造缺陷產(chǎn)生的原因如下：

(1)鑄造過程中保溫效果較差，特別是北方冬季溫度低，容易導致冷隔缺陷產(chǎn)生；

(2)金屬液流動速度慢；

(3)排氣孔位置不合理。

5 改進方案

根據(jù)目前設(shè)計參數(shù)及鑄造廠家現(xiàn)有生產(chǎn)條件，給出如下鑄造改進意見：

(1)增加保溫層，提升保溫效果；

(2)改變鋼液中碳含量，增加鋼液流動性；

(3)提高型砂透氣性，合理設(shè)置出氣冒口，保證氣體及時順利排出；

(4)提升澆注溫度，合理設(shè)定鋼液靜定時間。

6 結(jié)語

針對履帶板銷耳斷裂故障，從設(shè)計參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量及使用工況 3 個方面進行了分析，通過有限元分析、材料化學成分分析、機械性能試驗等手段，最終確定本次故障是由鑄造冷隔缺陷導致。筆者分析查找了導致冷隔缺陷產(chǎn)生的原因，并給出了改進對策。按此方案改進后履帶板使用狀況良好，故障率大大降低，為今后履帶板故障分析及改進提供了參考和借鑒。