计算机数值模拟在刮板输送机左轨座中的应用

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摘要： 运用传统的方法对刮板输送机左轨座的铸造工艺进行了设计，利用V-Cast软件对工艺的凝固过程进行了数值模拟，分析了缺陷产生的原因；将暗冒口改为保温冒口，优化了工艺，模拟结果显示，优化工艺实现了轨座的顺序凝固，消除了缩孔、缩松等缺陷。

Abstract： The preliminary casting process of left rail block scraper conveyor was designed by traditional method．The solidification of initial process was simulated by the V-Cast software．The cause of the shrinkage defects of original technology was analyzed．Through changing the original dark riser out the insulating riser， the result shows optimized technology can ensure castings progressive solidification and eliminate the shrinkage and the porosity．

关键词： 铸造工艺；轨座；V-Cast软件

Key words： casting process；rail block；V-Cast software

中图分类号：TG1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）02-0036-03

0 引言

刮板输送机是一种以挠性体作为牵引机构的连续输送机械，是综合机械化采煤工作面的主要运输设备，其主要作用有两点：首先是把采煤机破碎下来的煤运到顺槽转载机；其次是作为采煤机行走的轨道以及液压支架前移的支点。刮板输送机的结构强度高，运输能力大，可以爆破装煤，机身低矮，沿输送机全长可任意位置装煤；同时还具有机身可弯曲，便于推移等优点，因此在大型煤矿上受到广泛应用。

林州重机集团股份有限公司作为国内一流的煤炭综采机械成套设备供应商，在刮板输送机的设计及制造上拥有较强的实力；公司为贵州永晟制造的中双链SGZ764/500刮板输送机，中部槽宽度764mm，电动机总功率500kW，属于重型设备，适用于长壁工作面的采煤工艺。轨座作为刮板输送机的重要零部件（见图1所示），常在恶劣复杂的工矿条件下工作，如果在使用过程中出现了损坏，会导致整个刮板输送机的停机，所以，轨座的质量对刮板机非常重要[1]，轨座材质ZG30SiMn，重量26kg，热处理要求调质处理HB280-320，表面喷丸处理，技术要求不得有气孔、砂眼、缩松等铸造缺陷，铸件表面粗糙度Ra50。

首先用传统铸造工艺设计齿轨座的浇注系统，然后用数值模拟软件V-Cast对设计好的初始工艺进行模拟[2]，验证浇注系统及铸件质量是否合格，从而进一步完善和改进浇注系统，优化工艺。利用数值模拟软件，可省去现实中的试错方案，实现工艺的反复修改，进而提高工艺出品率，具有非常明显的优势，是铸造工艺未来的发展方向之一。

1 铸造工艺设计

1.1 确定分型面 考虑根据轨座的结构特点，轨座内部有型腔，开口向下时造型容易，因此采用两箱造型，浇注时轨座水平放置，铸件大部分位于上箱，分型面如图2所示。

1.2 确定浇注位置 浇注系统对铸件质量影响很大，是铸造工艺设计的关键部分之一，采用顶注式浇注[3]，设计半环形横叫道，2个内浇道，1个直浇道，内浇道从轨座的顶端侧面引入，见图3所示。

1.3 设计浇注系统 铸钢ZG30SiMn流动性能比较差，要求比较快速而平稳的充型，所以浇注系统尽可能简单，采用封闭式浇注系统，容易撇渣，取浇注系统截面比为：ΣF内：ΣF横：ΣF直=1：0.9：1.1。根据计算求的ΣF直=15.64cm2，ΣF横=13.31cm2，ΣF内=14.55cm2。

1.4 设计冒口 铸钢工件在凝固时候收缩率较大，需要设置冒口，冒口可以调整铸件凝固时候的温度分布，控制铸件的凝固顺序，同时确保足够的金属液体对铸件进行有效补缩，还可以排气和集渣，一般开设在铸件的上部。利用模数法计算出，在齿轨座的上部，模数3.01cm，是铸件的最后凝固区域，容易产生质量缺陷，在此处设置暗冒口。

1.5 数值模拟 用Pro/E绘制齿轨座三维实体图形，然后转换成数值模拟软件V-Cast容易识别的stl格式，导入数值模拟软件V-Cast，其中网格剖分100万，铸件材质选择30SiMn中碳低合金钢，浇注温度1580℃，液相线1512℃，固相线1469.9℃，平均壁厚设置20mm，比热容为489.9J/（kg·K），收缩率为6.4%，热导率为35W/（m·K），重力铸造，初始温度为25℃[4]。

2 铸造工艺的凝固过程模拟结果及分析

图4是轨座凝固过程的数值模拟结果，图中深色区域表示钢液仍处于液态或半液态，没有完全凝固，透明区域表示铸件已经完全凝固。t=120s时，环形的横浇道和内浇道已经凝固，见图4（a）；t=240s时，轨座最低端及右侧的耳板已经凝固，见图4（b）；t= 360s时，浇注系统已经完全凝固，右方的侧壁进一步凝固，但是上端温度较低，若此处先凝固，就会关闭冒口向下的补缩通道，见图4（c）；t= 480s时，铸件底部大部分已经凝固，冒口及铸件顶部仍处于液态，但是右侧侧壁热节处的补缩通道封闭，见图4（d）；t=660s时，整个铸件基本凝固，只有冒口的下方有金属液，见图4（e）；t=1200s时，冒口大部分凝固，只有微小的金属液体，见图4（f）。整个凝固过程中，冒口中的液体温度最高，能起到有效的补缩作用，但是侧壁首先凝固，关闭了补缩通道，产品容易产生缩孔缩松缺陷。

质量缺陷分布如图5所示，铸件的大部分热节部位能从冒口中得到液体补缩，但是右侧壁存在少量缩孔，说明暗冒口的有效补缩距离不够大，必须对工艺进行改进。

3 铸造工艺优化及数值模拟

3.1 工艺优化 据上述分析，需要增加冒口的补缩能力，冒口位置不变，但将暗冒口改为保温明冒口，增加补缩距离。计算出保温冒口的模数为2.24cm[5]，形状尺寸如图7，其中a=110mm，b=140mm，h=130mm，优化工艺后铸件三维实体模型如图6所示[6]。

3.2 优化工艺模拟结果及分析 将优化后的工艺绘制成三维模型，导入View Cast软件，设置参数并进行数值模拟。图8是优化工艺的凝固过程。t=120s时，内浇道和横浇道已完全凝固，最远处的薄壁部分开始凝固，见图8（a）；t=170s～280s时，随着时间延长，直浇道逐渐凝固，距离浇道最远的耳板也已凝固，冒口温度最高，对铸件补缩作用明显，见图8（b）、8（c）；t=440s～960s时，铸件下端大部分开始凝固，液相线逐渐向上退缩，整个铸件形成自上而下的温度梯度，保温冒口对铸件形成有效补缩，没有出现补缩瓶颈，见图8（d））、8（e）；在960s～2650s时，也就是铸件凝固后期，只有冒口内存在孤立液相区，说明冒口发挥了至关重要的作用，见图8（f）。

优化工艺质量缺陷见图9所示，铸件没有出现缩松、缩孔等缺陷，原工艺中最厚侧壁的缩孔消失，保温冒口实现了自下而上的顺序凝固，保证了铸件的质量。

3.3 实际生产验证 按照优化的工艺进行生产，采用中频炼钢炉熔炼，砂型浇注，实际生产的轨座如图10所示，按照技术要求，对生产的铸件进行了超声检测，质量合格，经力学性能测试和实际应用，能够满足SGZ764/500刮板运输机重载、冲击、摩擦的工作条件，具有较好的经济效益。

4 结论

4.1 用传统方法对轨座的铸造工艺进行设计，利用计算机V-Cast数值模拟软件对工艺的凝固过程进行验证，轨座的侧壁上存在质量缺陷，其原因是暗冒口的补缩能力不足造成的。

4.2 对原工艺进行改进，把暗冒口改为保温冒口，延长补缩距离，模拟结果表明，铸件实现了顺序凝固，消除了原工艺中的质量缺陷；按照设计的工艺进行实际生产验证，产品质量符合相关技术要求。

参考文献：

[1]郑喜平，米国发，王英.刮板输送机右轨座的铸造工艺设计及模拟优化[J]．热加工工艺，2012，41（17）：52-54.

[2]傅建，彭必友，曹建国.材料成形过程数值模拟.北京：化学工业出版社.2009.

[3]中国机械工程学会铸造专业学会.铸造手册.北京：机械工业出版社，2000.

[4]View Cast用户手册．

[5]叶荣茂.铸造工艺设计简明手册.北京：机械工业出版社，1996.

[6]林清安.Pro/ENGINEER Wildfire零件设计.北京：中国铁道出版社，2004.