采煤机滚筒齿座开裂分析

朱忠文

采煤机滚筒齿座开裂分析

朱忠文

齿座开裂是我厂采煤机生产中存在的一大问题，齿座开裂直接影响到采煤机的产品质量，保证齿座在采煤机生产中安全使用，与采煤机滚筒设计，生产各个环节有密切的关系。拟对各个环节存在的问题做一分析。

齿座;开裂;受力分析;生产工艺分析

一 齿座开裂形式与受力分析

齿座开裂多见于齿座(图号0000401)与扁形截齿(图号0000501)配合使用情况下，以端盘齿座，尤其是大角度齿座，而叶片上的齿座却很少出现。

1.齿座开裂形式。

(1)发生在齿座与端盘(或叶片)组焊后开裂，大多数是由于焊接应力，在齿座径向承载面积最小处Φ22+0.2孔中间开裂(见图)。少数是由于齿座在组焊前有微观裂纹，造成内部应力集中，而在别处开裂。

齿座Φ22+0.2中间(图A－A剖面)

承载面积=(70－22)×(74－30.5)=2088mm2

齿座Φ30.5半圆缺口(图B－B剖面)

中间处承载面积 =(74－30.5)×(70－15)=2392.5mm2

可见:齿座Φ22+0.2孔处为最小承载面积。

(2)发生在采煤生产时，由于受到采煤阻力和焊接残余应力作用，使齿座在侧面断裂(也大多先在Φ22+0.2孔处开裂，后沿侧面断裂，也有由于焊接热影响区冷裂纹，造成局部应力集中而在此处断裂)。

2.齿座受力分析。

如上图，根据截齿刀具的受力情况，可分析出齿座受力情况。

(1)将截齿受到的侧向力Pc，沿平行于A面，及垂于A面分解，齿座A面受到的弯矩最大。

Mmax=PccosαLp，即A面侧向受到最大的正应力，齿座断裂先从此处断裂。

(2)齿座A面受到的弯矩。

M=PjLp，此弯矩对齿座开裂影响不大，但对大角度齿座，尤其齿座超出端盘圆锥面，侧面正应力增大。

(3)截齿受到径向力Pq。

齿座受到径向力Pq，弯矩:PqLa.

径向力Pq对齿座产生压应力作用。对于齿座角度较大，尤其是齿座超出端盘圆锥面Pq影响增大。

根据以上分析:齿座受力是以上各力和力矩的综合，影响齿座断裂主要是侧向力Pc，其次是截割阻力Pj，牵引阻力Pq。

端盘截齿在割煤时，处于半封闭截割状态，齿座角度愈大，图示φ角愈小，tgφ愈小，Pj增大，Pc也因此增大。

这是采煤时端面齿角度越大，齿座越易开裂的原因，至于叶片齿座很少开裂是由于齿座受到的侧向力小，而且焊接残余应力较小的缘故。

二 齿座的生产工艺过程分析

齿座开裂与齿座的生产工艺过程有密切的关系。如果齿座的抗拉强度σb低，冲击韧性低，有显微裂纹，脆性大，齿座更易开裂。

齿座的材料是中碳调质钢35CrMnSi由铁工车间模锻生产出齿座毛坯(正火)，热处理车间(调质)，机加车间加工成齿座(成品)。

1.模锻:齿座的锻造生产质量直接影响到下一步工序，也影响到齿座生产质量。要得到一个合格的齿座锻件，应做好下列工作:

(1)原材料:由于原材料存在缺陷，如钢料存在残余缩松，枝晶偏析，气泡，夹杂等，可能导致生间裂纹或脆断。

(2)加热:锻件在很大程度上受加热规范的影响。加热规范包括装料炉温，加热速度，保温时间，加热时间等。由于35CrMnSi的导热，导温性较45#钢差，所以应严格控制加热速度和冷却速度，以免由于温度应力和组织应力的作用产生裂纹。对于加热锻件在中心易产生细小裂纹，对于冷却锻件在表面易产生裂纹。

35CrMnSi过热和过烧温度较低，具有明显的过热倾向性，所以应严格控制加热温度，不能使之偏高，发生在齿座与端盘(或叶片)的组焊后的齿座开裂断口，发现有的色泽发蓝，有的色泽灰暗。对于色泽发蓝断口的齿座分析其原因及形成，是加热后产生的过烧裂纹在组焊时在焊接应力的作用下，沿裂纹开裂，过烧裂纹与热裂纹特征基本相同，为沿晶扩展，裂纹有严重氧化现象。对于色泽灰暗的齿座断口分析其原因及形成，是加热后产生的过热，由于过热后的齿座抗拉强度低，在组焊时由于焊接应力超过基体的抗拉强度，而沿承载面积最小处开裂，其断口为沿断裂的石状断口，是由于过热温度下钢中非金属夹杂熔解度增大，在冷却过程中从过饱和的粗大奥氏体中析出非金属夹杂包围奥氏体而形成脆性脆壳，且日粒粗大，因而断口是沿晶断裂形式。

(3)锻造后冷却:由于模锻不像自由锻那样，锻件是经过反复锤击，因此模锻件组织不如自由锻。终锻温度应严格控制，终锻温度过高，由于终锻后奥氏体仍将继续长大，甚至粗大超过原来的晶粒度，作断口检验时，可看到粗晶断口，魏氏组织使锻件的机械性能下降，尤其是冲击韧性，下降更为明显。有资料表明，为了细化晶料，改善组织，提高机械性能，对于此种钢材，作完全退火处理，使之产生重结晶。

2.热处理。

我厂齿座热处理工艺是模锻后空冷，相当于正火，热处理车间高温回火。回火温度600゜C，加热时间2’保持时间30’，空冷。

35CrMnSi是中碳调质钢，锻件应做调质处理，即淬火后，再来一个高温回火，才能提高材料的机械性能，使材料的抗拉强度、冲击韧性提高。

35CrMnSi调质状态下的组织为回火马氏体，属于Cr－Mn－Si系统的中碳调质钢。Cr－Mn－Si钢具有回火脆性的缺点，在300－450゜C内出现第一类回火脆性，因此回火时必须避开该温度范围，此处这类钢还有第二类回火脆性。因此高温回火时必须采取快冷的方法，否则冲击韧性会显著降低。

3.机加:为便于加工，齿座可在退火后回工，再作调质处理。

三 齿座与端盘、叶片焊接生产工艺过程分析

1.材料分析。

35CrMnSi化学成分:

C:0.35 Cr:0.8～1.14 Mn:0.8～1.1 Si:0.9～1.2 S≤0.030 P≤0.035

碳当量Ceq%=C+Mn/6+Si/24+Cr/5=0.35+1.10/6+1.00/24+1.00/5≈0.78

2.35CrMnSi焊接性分析。

35CrMnSi的碳当量Ceq为0.78;端盘的材质是ZG35，碳当量Ceq较35CrMnSi小，因此以下主要讨论35CrMnSi的可焊性。

由于35CrMnSi的碳当量Ceq很大，所以有很大的淬硬倾向和冷裂倾向，由于Ms点较低，在低温下形成的马氏体一般难以产生“自回火”效应，并且由于马氏体中的含碳量较高，有很大的过饱和程度，硬度和脆度很大，对冷裂纹敏感性很强，因此除应采取预热措施外，焊后还应及时进行回火处理。

采用小线能量对焊接较为有利，小线能量减少了高温停留时间，避免了奥氏体晶料过热，增加了奥氏体成分不均匀性，从而降低了奥氏体的稳定性。并同时采取预热和缓冷等措施来降低冷却程度，这对改善过热区的性能是非常有利的。

3.焊接工艺 。

(1)焊前需将焊接面清理，打磨，露出金属光泽。

(2)采用火焰预热方法，加热齿座与基体焊缝两侧，大约250～300゜C。

C.采用CO2气体保护焊，Φ1.2实芯焊丝，材料为H08Mn2SiA，焊接电流270～300A，电压25～32V，多层多道焊接，焊接15层30道，每焊完一道焊缝后用锤击，消除残余应力，保层间温度250～300゜C。

(3)焊后在退火炉中保温300゜C，2小时。

四 结论

齿座的生产从原材料采购、生产，每一步的生产都应认真执行工艺规范。齿座焊接严格执行工艺，才能避免齿座开裂的发生。

［1］李亚江.焊接材料的选用［M］.北京:化学工业出版社，2004.

［2］高忠民.实用电焊技术［M］.北京:金盾出版社，2003.

［3］陈天佐，李泽高.金属堆焊技术［M］.北京:机械工业出版社.1991.

［4］李亚江，等.切割技术及应用［M］.北京:化学工业出版社，2004.

Analysis of Crack of Roller Gear Seat in Coal Mining Machine

Zhu Zhongwen

The crack of roller gear seat is one of main problems in our factory’s production of coal mining machine.Cracked gear seat will affect directly the product qualification and safety of gear seat in coal mining machine during production.It has a close relationship with roller design and every section in the production.This thesis will give a brief analysis of the problems in every section.

gear seat;crack;force analysis;production workmanship analysis

TD421.6+1

A

1672－6758(2012)02－0046－2

朱忠文，技师，鸡西煤矿机械有限公司，黑龙江·鸡西。邮政编码:158100

Class No.:TD421.6+1Document Mark:A

(责任编辑:郑英玲)