金属波纹管在连续采煤机油箱中的应用

陈庆贺

（中国煤炭科工集团 太原研究院有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

金属波纹管是一种挠性﹑薄壁﹑有横向波纹的管壳零件，其利用金属材料的弹性来实现所需要的功能，通过改变组件的形状和尺寸来补偿外界载荷，如压力、集中力、力矩等；当载荷消失后，又恢复到最初的状态。金属波纹管还具有耐压、密封、耐腐蚀、耐温度、耐冲击等多种性能，是一种多功能零部件。现已广泛应用于机械﹑航空航天﹑船舶﹑汽车﹑石化﹑能源﹑核工业等领域。但在连续采煤机上的使用在国内还属首次。

1 连续采煤机的使用工况

连续采煤机是短壁开采设备的龙头，在煤矿井下开采中起着至关重要的作用。由于连续采煤机同时具备截割煤壁、装煤、运煤及行走的功能，整机元部件较多，而井下巷道宽度及高度有限，因此在整机整体排布很紧凑。受整机空间限制，把油箱设计为一种内嵌式结构，即连续采煤机的两个行走机架兼为油箱，由于两行走机架为相互独立的个体，这会给油箱内油液流动带来不利影响，并相应会增加液压系统元器件个数，使整机成本增加；所以需要把两个行走机架即油箱连通。而连续采煤机的行走机构为主要承力部件，且井下地面凹凸不平，连续采煤机在工作中的震动和行走时的晃动，会使两行走机架之间有一定的相对运动。如果使用刚性管路连接油箱，在无缓冲和无卸力的情况下，刚性管路和油箱的使用寿命有限。而使用金属波纹管连接两油箱，既可利用金属波纹管的挠性有效缓解两油箱之间的相对运动，又可利用金属波纹管的薄壁特性连通油箱，从而保证了连续采煤机的连续可靠运转。

2 金属波纹管的结构和原理

2.1 金属波纹管的结构

作为油箱的连通部件，金属波纹管首先应保证油路的密封，这就要求金属波纹管上所有的焊缝均为无缝连续焊接，保证金属波纹管腔密闭。连续采煤机两行走机架为主要承力部件，且油箱在特定情况下需清理，所以在设计时应考虑金属波纹管的密封及可拆卸性。金属波纹管结构如图1 所示。

在一段金属波纹管两端分别焊接一段不锈钢无缝钢管，无缝钢管Ⅰ和无缝钢管Ⅱ上均开有O 型密封圈槽，用来保持金属波纹管连接油箱的密闭性；螺纹装置焊接在无缝钢管Ⅱ端，方便拆卸金属波纹管。在无缝钢管Ⅱ上有一个台阶，起着在安装中定位金属波纹管的作用。

图1 金属波纹管结构示意图Fig.1 Metal corrugated pipe structure diagram

图2 油箱结构示意图Fig.2 Schematic diagram of oil tank structure

2.2 金属波纹管连通油箱的原理

油箱结构示意图如图2 所示，图中油箱Ⅰ为主油箱，主要是从此油箱加油，液压系统功能元器件从主油箱吸油。油箱Ⅱ作为副油箱，主要是起到储存油液的功能。油箱Ⅰ和油箱Ⅱ通过金属波纹管连通，在油箱Ⅰ中，设有一固定座，固定座上连接有一个法兰盘，用来压住金属波纹管，防止外窜。金属波纹管通过两端的无缝钢管把油箱Ⅰ和油箱Ⅱ连通。同时，为防止金属波纹管连通油箱时连接面有油液泄露，在金属波纹管两端的无缝钢管上预设了四道密封圈，这样油箱Ⅰ和油箱Ⅱ连通并确保了金属波纹管腔体的密闭。法兰盘上增设了导流管，导流管通过螺纹连接在法兰盘上。导流管的优点在于可使油液平缓迂回流动，有利于油液中空气的分离和污染物的沉淀，同时增大了油液的循环距离，利于油液散热。

2.3 金属波纹管的安装与拆卸

安装前，分别在金属波纹管两端部安装合适的O 型密封圈，把金属波纹管穿过油箱Ⅰ，插入油箱Ⅱ的连接孔中，用力推压，使无缝钢管Ⅱ的台阶顶住油箱Ⅱ为止。用法兰盘压住金属波纹管，并拧上固定螺钉，检查金属波纹管在此状态下有无轴向窜动，无窜动为最佳，这种情况下金属波纹管上的所有O 型密封圈均处于密封的最好状态。若有轴向窜动，需校核金属波纹管并重新装配。金属波纹管装配完成后，把导流管安装到位即可。

金属波纹管是一个薄壁且有横向波纹的挠性管，在现实中不可对其用力拉扯，否则会使金属波纹管在波纹处失去弹性，从而丧失其功能。拆卸前，应先准备一个工具（撞锤螺杆）： 一根长约500mm 的铁杆，杆的一端焊接一段与图1 中螺纹装置相匹配的螺纹，中间套一个可顺铁杆滑动的撞锤，杆的另一端焊接一铁块，防止撞锤滑出铁杆。拆卸时应先将导流管、法兰盘取下，把撞锤螺杆与图1 中螺纹装置拧在一起，用力滑动撞锤使其击打铁杆另一端的铁块，可以把金属波纹管完好无损地取出。

3 金属波纹管的选取

3.1 材料的选择

要选择出合适的材料，应根据金属波纹管的用途、精度要求、工作温度、载荷大小和种类、工作介质及使用寿命等已知条件，并考虑所选材料的成形工艺和焊接工艺。同时在选择材料时还应该考虑这种材料的市场来源等因素。综合以上要素，选取金属波纹管材料为0Cr18Ni9。该材料金属波纹管的材料特性如表1 所示。

表1 金属波纹管材料特性Tab.1 The material properties of metal bellows

3.2 确定结构型式及各参数

（1）选择金属波纹管的波纹形状为U 型波纹。

（2）金属波纹管的壁厚可由分析不同的刚度计算公式得出，在总壁厚相同的情况下，多层金属波纹管的刚度只有单层金属波纹管的1/Z1.5 或1/Z2。所以同样的情况下，多层金属波纹管的变形应力更小。

（3）由金属波纹管用途已经决定了金属波纹管两端的结构，如图1 所示。

经和金属波纹管相关生产厂家交流沟通，并查阅相关资料、计算，得出所需要金属波纹管的具体参数如表2 所示。

表2 金属波纹管参数Tab.2 Metal corrugated pipe parameters

4 计算疲劳寿命

目前国内对于金属波纹管疲劳寿命计算最常用的方法是EJMA 法，该计算方法适用于设计温度低于425℃的成形态奥氏体不锈钢，能够满足常规金属波纹管的疲劳寿命计算。以下为金属波纹管的应力及寿命计算。

（1）内压引起的纵向薄膜应力：

S1=ph/2mδp

（2）内压引起的波纹管径向弯曲应力：

（3）轴向位移引起的波纹管径向薄膜应力：

（4）轴向位移引起的波纹管纵向弯曲应力：

（5）组合应力：

Sp=S1+S2；Sd=S3+S4; SR=0.7Sp+Sd

（6）疲劳破坏时的循环次数：

以上各式中：C2—腐蚀裕量（mm）；Cp、Cd、Cf—有关系数；Eb—常温时材料的弹性模量（Mpa）；P—设计压力（Mpa）；m—波纹管管壁层数；h—波纹管管高（mm）；e—个波的轴向位移（mm）；δp—波纹管成形后一层材料最小有效厚度；f—疲劳寿命的温度修正系数。

对于本文应用的金属波纹管，由上述公式计算出它的平均疲劳寿命在10655 次左右。

5 使用情况

本文所设计连续采煤机投入使用以来，整机保证了很高的开机率，油箱连接方面未出现金属波纹管损坏等方面的故障。在某矿使用中创下了国产连续采煤机月产最高纪录： 1500m，国内各在用设备的产量一直保持在年产50wt 以上；同时整机还出口老挝、印度等国家，赢得了用户的一致好评。

6 结论

（1）采用一种油箱连接用波纹管的结构，实现了连续采煤机行走机架为油箱的设计。通过对所用金属波纹管选材、计算以及连续采煤机在实际中的使用情况，说明金属波纹管连通油箱的方法是可行的。

（2）金属波纹管在连续采煤机中的应用需较长时期的持续观察、测试，才能更好地得出金属波纹管在此种应用下的综合情况，并对其作出改进。

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