热变形设计理论在煤矿设备设计中的应用分析

郭小明， 赵晓兵

（1.山西省阳泉固庄煤矿， 山西 阳泉 045011； 2.山西中永通机电设备制造有限公司， 山西 太原030006）

煤矿设备一直以“笨、大、黑、粗”外观和视野给人留下深刻影响，在千万吨矿井生产装备条件下，这一形象随着技术进步，理念创新设计抛弃了“粗放型”设计这一陈旧理念，过去以体积、质量等物理量作为工作寿命保障体系的旧的传统经验已彻底退出舞台，新的工作寿命保障体系依靠更科学的技术参数指标及系统失稳判定理论[1]，在失效机理分析基础上逐步建立新的工艺路线和技术措施来适应煤矿装备发展的需要。

1 设备生命周期曲线基本特点

煤矿装备使用环境复杂不确定因素影响多，所以设计安全裕度系数大；决定了其基本尺寸及质量比常规工业设备要大得多，重得多，但是随着技术进步和产能的扩大，单一依靠设计安全裕度系数不仅不能实现设计思想，而且也是不科学的。笔者多年跟踪井下机械设备损坏状况，对设备生命周期曲线进行了分析，见图1。

由图1得出，与煤炭生产量紧密关联部件：如输送刮板、割煤部摇臂、洗煤厂筛板等机械设备生命周期曲线非常相似，使用寿命在煤矿高强度生产情况下使用寿命时间很短，这也证明了体积，质量等物理量作为工作寿命保障体系的实践依据。但是也看到这样一个现象：磨损曲线初期平滑磨损量很小，进入稳定期后这一现象与产量线性关系很好，图2为煤矿机械设备基本磨损曲线。

图1 煤矿运输机械设备生命周期曲线

2 热变形设计理论的提出

温度引起的热变形误差对机械与仪器精度的影响历来是受人们关注的问题,特别是在精密工程和微纳米测量技术等现代精密技术中[2]，热变形误差的影响尤为突出[3]，成为影响精度的主要因素。零件形体尺寸并不完全是热胀冷缩,也存在“热缩冷胀”的现象;精密零件形体的热变形存在微观尺度的非相似性;现行材料热膨胀系数定义标准具有近似性,不能反映材料本身的属性,应该提出更科学、更准确的材料热膨胀系数。零件形体受温变形的影响因素极其复杂,传统的计算公式具有不准确性,没有考虑形体边界条件的复杂性和热变形之间的关系[4]，也没有考虑热变形前热效应所导致的热变性问题，图2所掲示的煤矿机械设备基本磨损曲线现象表明，设备的热源是磨损导致的，热变形形成是有条件的，只要直接磨损产生的热量E磨损-E损失大于零才会产生热效应，而且只要E磨损-E损失的值大于设备材料决定的变形变性能量值才会产生变性和变形，这一磨损就会加剧，就会真正影响设备使用寿命，产生线性很陡的摩损运行现象，设备热变形设计理论的要点就是使得设备在工作条件下远离热变形热变形发生的边界条件，具体讲就是E磨损-E损失尽量小，形体边界条件的复杂性可以解决热变形问题。

3 煤矿机械设备失效分析

煤矿运输机械设备失效形式以磨损、腐蚀、冲击多种形式叠加为主，最后导致结构损伤，直至结构破坏失效，基本技术路线采用耐磨性和强度好的材质，但是大量实践证明失效现象依然大量存在，因为在加工过程中，不可避免的热效应使得材质在局部变化很大，加工裂纹或者材质局部改性这为产品安全性留下大量隐患[5]，高等级材质热变形问题一直是业内难题，图3为耐磨性增强材料与加工裂纹影响率统计图表。只有选择耐磨性和强度好一些，加工热效应导致变形不明显的材质满足工程需要，这一思想解决了加工热效应产生隐患问题，但是磨损问题依然不能满足生产需要，加厚效果不明显，而且磨损加剧特征明显，也不符合减量化要求。

煤矿运输机械设备失效形式深层次分析：磨擦产生热集聚效应，耐磨性减弱这一过程腐蚀性加强，冲击耐压能力减弱，多效应叠加，磨损导致变形发生，磨损以加速方式进行，煤矿生产过程热效应问题煤矿机械设备失效的根本性原因[6]，这一过程的形成是与煤矿流程化生产形式相一致的，物流长时间运行使得接触温度T与磨损效应极致一致，不仅磨损量足够，而且对材料改性效应，冲击耐压能力减弱，多效应叠加，导致变形发生，将综合效应放大到最大，加速磨损效应发生也就是颗粒剥离现象发生，煤矿机械设备失效形成。

4 煤矿运输机械设备失效对策

热效应是磨损（摩擦）产生的，构造一磨损形式使得热效应在这一磨损形式下不能产生加剧磨损的热量，也就是使得磨损不致产生多效应叠加模式，这样磨损就远离结构损伤，也就不能导致结构破坏这一形式出现。

针对这一磨损形式，现有的通用对策是在现有割煤部摇臂上进行菱花堆焊的方法，其原理是菱花堆焊使得摇臂与煤体不能产生滑动摩擦，在摩擦过程中不产生大量的热量，图4为摇臂菱花焊接外形图。

图4 为摇臂菱花焊接外形图

具体实施方式：菱花堆焊对材质基本没有影响，但是堆焊体耐磨性远高于本体材质，原因是堆焊体体积小，加工时间短，热累积效应不能产生裂纹效应。

具体实施措施后煤矿运输机械设备磨损及热效应分析：菱花堆焊凸起效应使得物体流过产生的滑动摩擦效应为滚动摩擦效应或静摩擦，当发生滑动摩擦时由W=F·X可知会产生大量的热量，而且由于煤矿运输机械属于连续作业，没有可以耗散热量的时间与空间，当运输设备发生磨损及热效应时无法得以缓解，相反会愈加严重，所以磨损产生热集聚效应远离于磨损加剧发生条件范围，而且菱花堆焊凸起起加强筋的作用，抗冲击性及设备结构稳定性增强很多；结构寿命增加是很大的，没有堆焊到的地方一般承受的冲击力不会很大，而且抗冲击等级增加量足够抵消这一冲击力，但是其磨损几乎可以忽略；菱花堆焊凸起可以足够抵消这一磨损是其生产周期内需要考虑的首要参数，耐磨特性，再附加磨损量不大，这一技术参数极易实现；更进一步，菱花堆焊再下一次设备检修时由于堆焊加工特性可以使得设备修复如新，下页图5为煤矿运输机械设备远离热效应磨损条件下设备生命周期曲线，其特征使用寿命时间几乎是原设计的2倍。

洗煤厂针对筛板磨损一般采用衬板方式，磨损到一定时候直接更换衬板即可，这样保证了设备整体寿命曲线的完美。

5 结语

图5 设备生命周期曲线

借助于系统失稳判定远离失效工作点这一工程思想，基于热变形设计理论分析矿山生产设备主要在摩擦工作状态下的失效形式，结合材料分析、工艺分析、运行分析、维护分析证明菱花堆焊耐磨加强是现阶段非常有效的技术手段，使得既满足了大型工作面对运输设备减量化设计的要求，又为设备寿命周期提供技术保障，使得煤矿设备“笨、大、黑、粗”外观得以根本改观。