采煤机铸钢件冒口设计与计算方法发展综述.pdf

第44卷第3期2023年6 月肖博予，戴建平，宋相坤.采煤机铸钢件冒口设计与计算方法发展综述J.煤矿机电,2 0 2 3,44（3）：16-2 0.doi:10.16545/ki.cmet.2023.03.004采煤机铸钢件冒口设计与计算方法发展综述煤矿机电Colliery Mechanical&Electrical TechnologyVol.44 No.3Jun.2023肖博予，戴建平,宋相坤3（1.煤炭科学研究总院有限公司，北京10 0 0 2 0；2.中煤科工集团上海有限公司，上海2 0 0 0 30；3.天地上海采掘装备科技有限公司，上海2 0 140 1）摘要：合理设计冒口对保证采煤机部件质量具有重要意义。介绍了目前通用的传统冒口与基于数值模拟冒口的设计计算方法，在传统计算方法中介绍了模数法、补缩液量法与比例法。在数值模拟计算方法中介绍了基于CAD/CAE、O p e n C a s c a d e 以及Flow-3D三种方法。最后以摇臂壳体为例，对比分析了在设计采煤机铸钢件时不同计算方法的优缺点，并对冒口设计计算方法的发展趋势与研究方向进行了展望。关键词：铸钢件；冒口设计；模数法；数值模拟中图分类号：TF777Overview of the Development of Riser Design and CalculationMethods for Coal Mining Machine Steel Castings扫码移动阅读文献标志码：B文章编号：10 0 1-0 8 7 4(2 0 2 3)0 3-0 0 16-0 5XIAO Boyu,DAI Jianping,SONG Xiangkun(1.CCTEG Chinese Institute of Coal Science,Beijing 100020,China;2.CCTEG Shanghai Co.,Ltd.,Shanghai 200030,China;3.Tiandi Shanghai Mining Equipment Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201401,China)Abstract:Reasonable design of risers is of great significance in ensuring the quality of coal mining machinecomponents.The commonly used traditional riser and numerical simulation based riser design and calculationmethods was introduced,including modular method,feeding liquid method,and proportion method.Three methodsbased on CAD/CAE,Open Cascade,and Flow-3D were introduced in the numerical simulation calculationmethod.Finally,taking the rocker arm shell as an example,the advantages and disadvantages of differentcalculation methods in designing coal mining machine steel castings were compared and analyzed,and thedevelopment trend and research direction of riser design calculation methods were prospected.Keywords:steel casting;riser design;modular method;numerical simulation液的结构,起到对铸件进行补缩与引导充型的作用，0引言能有效减少凝固过程中出现的缩孔、缩松等缺陷。作为煤矿采掘过程中的重要设备，采煤机在工冒口的设计是否合理与其设计计算方法密切相关。作时往往要承受较大的载荷，因此采煤机的各个部本文对国内外铸钢件冒口常用设计计算方法进行系件对强度性能的要求较高。采煤机的行星架、摇臂统介绍，并对未来发展情况进行展望，为铸钢件冒口壳体、行走箱等重要部件均为铸钢件，铸钢具有强度的设计及其计算方法的选择提供参考。高、韧性好、灵活性大等优点，但铸钢熔点高，钢液流1传统冒口设计计算方法动性差，钢液易吸气且线收缩率较大，这使得铸钢件在铸造充型凝固过程中易出现缩孔、气孔等缺陷,影响铸件强度 。冒口作为铸型内设置的储存金属1.1 模数法模数法是国内铸钢件冒口设计中较为普遍的计2023年第3期算方法。模数又称为凝固系数，其取决于铸件的体积与传热表面积的比值。即：M=V/A式中：M为模数；V为体积；A为传热表面积。模数与铸件完全凝固所需时间成正相关，计算模数是为了保证铸件完全凝固时，冒口中的金属液还未完全凝固，这样才能达到补缩的效果。对于如何确定冒口模数，目前主流的算法有如下几种：1）简化模数法。冒口模数在简化模数法中被简化表示为：MR=fM,式中：MR为冒口模数;f为模数扩大系数;M为被补缩部分铸件模数。通常使用简化模数法时还要配合冒口补缩效率公式对冒口体积进行计算。冒口补缩效率公式表示为：Vrmx二&VR二VR8式中：Vrmax为可被冒口补缩的最大体积；n为冒口补缩效率；为金属液体收缩率；VR为冒口的初始体积。在利用简化模数法进行计算后，往往还需要用补缩液量法进行校对。2）一般模数法。该方法基于Chvorinov法则，其方程表示为：M=KJt式中：K为凝固系数;t为凝固时间。3）Q 参数法。研究表明，冒口的体积主要由被补缩部分铸件的体积与模数所决定2 。据此所定义出来的Q参数表示为：=M式中：V为被补缩部分铸件原体积加浇注后型腔扩大的体积。对于铸钢件，Q参数满足以下公式：VR=200+0.15Q4）周界商法。周界商与Q参数的定义相同,即铸件的体积与其模数三次方的比值3。使用周界商法时需要满足的算式如下：(1-6)-f-%=0式中：Q为被补缩部分铸件的周界商；QR为冒口的周界商。5）三次方程法。该方法基于铸件凝固终了时，肖博予等：采煤机铸钢件冒口设计与计算方法发展综述(1)MR=AR式中：M为凝固后冒口的实际模数;AR为冒口的传热表面积。对于补缩部分的铸件，将其密度变化视为体积变化，得出实际模数：(2)M=(1+)M在实际计算中，往往还需要加人一个安全系数来保证对铸件进行有效补缩4。因此最后获得的算式为：Vr-Vr=6(1+)M,AR1.2补缩液量法(3)补缩液量法是基于凝固等温线与补缩金属液量对冒口进行计算的方法，其大多被用于计算大气压力暗冒口的大小。凝固等温线表示的是铸件与冒口的凝固层厚度。而补缩液量表示冒口中能用于补缩的金属液应足够用于对被补缩部分铸件缩孔部分进行补缩。算式表达为：Go=(Gp+GR)8式中：G。为冒口中用于补缩的金属液的重量Gp为(4)被补缩部分铸件原型腔与浇注后型腔扩大体积之和的金属液的重量；GR为冒口原体积中金属液的重量。在计算完冒口用于补缩的金属液重量后，可以根据所选的冒口类型，对冒口尺寸进行进一步计算。V1）球顶圆柱形暗冒口：(5)(d-do)?Go=34式中：d为冒口直径;d。为热节圆直径；h为冒口高度;h为保险高度;p为钢液密度；k,为修正系数，通常取0.7 7。(6)2）腰型顶暗冒口：Go=(-do)(b-do)h-(+h)ehi式中：为冒口宽度；b为冒口长度。(7)1.3比例法比例法是一种较为简单的基于经验性的铸造方法,其根据被补缩部位的热节圆直径或壁厚对冒口尺寸进行计算,基本表达式为：17冒口与被补缩部分铸件两者的实际模数相等这一定理4。对于冒口,其用于补缩而形成的缩孔往往位于冒口中间,其凝固后的传热表面积可以约等于其原有的散热表面积,因此其实际模数可表示为：(8)(9)(10)(11)%+hi)pk(12)(13)VR-VF18式中：K,为经验系数;T为热节圆直径或壁厚。比例法的关键在于经验系数K 的确定5。K由被补缩部分铸件形状、材料，根据经验进行确定。K，除了与热节圆直径或等效壁厚有关,还与补缩距离有关。结合数据可以得出K，的回归方程如下：K,=0.22(15)T式中:L为补缩距离;Z为修正系数,其与被补缩部分铸件的平均壁厚以及冒口与热节圆的相对位置有关。由于比例法的经验性较强,因此在对冒口设计后往往还需要进行校对验算。最常用的校对方法为工艺出品率法。工艺出品率同样是对实践经验的总结，由铸件的重量、厚度以及加工面比例等参数所决定。当所设计冒口工艺出品率低于其应有出品率时，应重新设计冒口。除了工艺出品率法，还可通过铸件重量法、冒口重量和体积比法以及缩管法进行校对验算。2基于数值模拟的冒口设计计算方法与传统的冒口设计计算方法不同,基于数值模煤矿机电d=K,T(14)L+Z+0.912023年第44卷拟的计算方法不再需要人为计算冒口的各项尺寸数值,而是通过一系列计算机软件对铸件铸造过程中的热节位置、大小等参数进行模拟计算，再结合设定好的算法程序，自动设计合适的冒口。目前程序内置的设计算法仍以模数法为主。同时，在设计完冒口之后，通常还会利用仿真软件进行仿真验证。目前国内外对于冒口自动设计所使用的软件种类繁多,计算冒口的流程也各有不同。而且对于何种方法更优也没有相关定论。因此本文仅对其中较有代表性的几种方法进行介绍。2.1基于CAD/CAE的冒口设计方法基于CAD/CAE的算法通常需要先在CAD软件中建立铸件的三维模型，再将没有冒口的模型导入CAE软件进行模拟仿真，之后根据仿真结果计算铸件热节位置等相关信息。根据得到的信息，从设置好的冒口数据库中选择合适的冒口,之后会将带冒口的铸件模型再次导入CAE软件中进行仿真验证，再将仿真结果反馈到冒口选择阶段，进一步对冒口进行优化，直至仿真中得到满意的补缩结果。基于CAD/CAE的冒口设计流程图如图1所示。建立铸件对无冒口模从仿真结果根据所得信对所选冒口输出三维型进行模型凝固仿真图1基于CAD/CAE的冒口设计流程图对于提取的所需信息目前较为普遍的是提取铸件的热节信息，确定热节区域即被补缩区域,再确定区域的位置、厚度、体积以及传热表面积等信息。由于仿真软件可以观察凝固过程中任意时刻液相分布的特性,所以除了热节还可以选择孤立液相区作为要提取的信息。孤立液相区指的是铸件凝固过程中被已经凝固的固体所包围的液相区域。孤立液相区与缩孔的形成有直接关系，因此也可通过提取孤立液相区的各项信息来设计冒口。冒口设计步骤中首先需要建立丰富的冒口数据库以供选择。在具体算法方面，除了可以使用上文提到的周界商等传统算法，还可以利用计算机的特性引人遗传算法及衍生算法6 （如果蝇算法7 ）,通过迭代择优选择合适的冒口。对于冒口位置的确定，会根据内置算法进行自动定位，当遇到形状较为复杂的铸件时，也可以进行手动定位。2.2?基于Open Cascade的冒口设计方法Open Cascade 是一款集成了 CAD、C A E、C A M中提取所需息设计合适进行仿真信息冒口功能的用于开发二维和三维建模程序的软件。与上文基于CAD/CAE的方法不同，该方法不需要先进行无冒口的凝固仿真，而是通过设置截取体来获得被补缩铸件的局部模数。具体流程为：先导人铸件模型，获得铸件整体模数信息；选择截取体类型（如长方形截取体、圆柱形截取体等）；运用布尔运算获得合适的铸件截取体；计算截取体局部模数；根据局部模数计算冒口模数；选择合适的冒口类型、冒口参数以及冒口位置8 。其中截取体局部模数的计算方式为：M,=A,-AN式中：M,为截取体模数；V为截取体体积；A为截取体表面积；A为截取体无效散热面面积。2.3基于Flow-3D的冒口设计方法Flow-3D是一款高精度的用于计算流体动力学（C FD)的仿真模拟软件,其特点在于使用了FAVOR法，即“分数面积/体积障碍物表示”方法，该方法提结果验证V(16)2023年第3期供了计算上更有效的网格生成和数值算法。该方法在模拟仿真中使用连续性方程、动量方程等进行控制。同时设置了包含有颗粒追踪、空气夹带以及流体停留时间三项参数的标量追踪模型，可以更细致地对凝固过程中液相的变化进行分析与观察。该方法还通过与3D砂印技术相结合，设计了与传统冒口类型不同的椭圆形冒口等，以追求更好的补缩效果”3针对采煤机铸钢件的计算方法对比分析目前以模数法为代表的传统计算方法仍是主流的采煤机铸钢件冒口设计方法。以采煤机截割部摇臂壳体为例，其在不添加冒口的情况下进行凝固仿真的结果如图2 所示。图2 摇臂壳体无冒口凝固仿真示例（黑色部分表示缩松缩孔）从图2 中可以看出，摇臂壳体在不添加冒口的情况下，浇注后在正常凝固过程中会产生大量的缩松缩孔,其中电机筒处由于体积大,产生的缩松与缩孔最多。因此以摇臂壳体电机筒部分作为被补缩部分铸件，分别采用传统计算方法和基于数值模拟的自动计算方法来计算冒口尺寸。冒口类型选用标准圆柱形明冒口，冒口直径与高度比取1。传统方法选用简化模数法、周界商法、三次方程法以及比例法来计算冒口尺寸，其中三次方程法的安全系数取1.2。基于数值模拟的方法选用基于CAD/CAE的设计计算方法,在该例子中首先对无冒口摇臂壳体凝固过程进行仿真，之后提取仿真结果中电机筒位置的缩松缩孔体积信息，根据提取的信息利用基于补缩量液法的算法自动计算冒口尺寸。不同计算方法的计算结果如表1所示。表1不同计算方法得出的冒口直径mm简化模周界三次方程法比例法数法商法(8 取1.2)250350按照计算结果分别设置直径为2 50 mm、320mm、350 m m 以及39 0 mm的冒口，分别对其补肖博予等：采煤机铸钢件冒口设计与计算方法发展综述冷铁等方法对底部进行补缩。对于基于数值模拟冒口计算方法所设计的直径320mm冒口，其在体积较小的情况下达到了较好的补缩效果，节省了钢液，节约了计算时间。同时与三次方程法调整安全系数相似，基于数值模拟的方法在程序设计过程中还可以通过增加相关参数来增加所设计的冒口体积，保证冒口能对铸件进行有效补缩。采煤机铸钢件大多结构较为复杂，不适合用简化模数法进行计算。周界商法与三次方程法等方法虽然较为复杂，但面对结构复杂的铸件时可较准确地计算出冒口尺寸。模数法以外的传统计算方法虽然也可以计算出冒口尺寸，但对于形状复杂的铸件，往往难以判断热节圆的大小。除此之外，传统冒口计算方法存在对经验依赖性大，需要人为判断热节位置和被补缩区域等问题。基于数值模拟的自动设计方法可以在一定程度上弥补传统方法的不足。首先，通过软件可以精准地模拟出铸件的热节位置及其体积传热表面积等信息,从而可以更精准地对冒口尺寸进行设计。同时，基于CAD/CAE的通过运用仿真软件可以在较短时间内对多套冒口方自动计算方法案进行仿真测试并进行实时优化，能设计出更具经37039019缩效果进行仿真模拟，其结果如图3所示。(a）2 50 m m 直径冒口(b）32 0 m m 直径冒口(c）350 m m 直径冒口(d）39 0 m m 直径冒口图3不同大小冒口补缩效果图对于传统计算方法设计的冒口，直径为350 mm和39 0 mm的冒口均可以对电机筒顶部进行有效补缩。而直径2 50 mm的冒口体积过小,不能进行有效补缩，其原因为摇臂壳体形状较为复杂且并非实心，散热表面积较大，模数小于同体积的实心铸件，这种特点导致冒口只能对电机筒顶部进行有效补缩,无法对电机筒底部进行有效补缩。在实际生产中还需要通过添加侧冒口，冒口补贴或在底部加装320济性的冒口。但由于基于数值模拟的相关方法发展时间较短，目前相关方法仍要借助传统冒口计算方法的计算公式进行计算，缺少专门针对基于数值模20拟的算法。同时，这些方法大多只停留在单纯的冒口设计计算上，而采煤机所用部件在铸造过程中往往还需要设计冷铁和冒口补贴。因此,基于数值模拟的方法目前还很难实际应用于采煤机铸件的冒口设计中。4结论冒口对采煤机铸钢件的质量至关重要，而冒口作用的发挥与其设计计算方法密切相关。本文对铸钢件冒口常用设计计算方法及其发展现状进行了介绍。针对采煤机铸钢件，对不同冒口设计计算方法的优缺点作了对比分析,对其选用方法进行了说明，可为采煤机铸钢件冒口的设计及其计算方法的选择提供参考。目前CAE等各类模拟仿真软件已经越来越广泛地被应用于采煤机铸钢件的铸造设计中。数字化与自动化仍是采煤机铸钢件冒口设计的发展方向。但如前文分析,基于数值模拟的设计计算方法还有许多不足。因此采煤机铸钢件冒口设计未来的研究方向为：将传统计算方法与基于数值模拟的算法更好地结合应用或基于数值模拟的特点研究更合适的新算法，进一步扩展基于数值模拟计算方法的功能，煤矿机电将其投入实际应用中。参考文献：1王瞳.铸钢件浇冒口工艺优化设计方法及CAD/CAE集成系统的研究D.武汉：华中科技大学,2 0 2 0.2 子澍.基于Q参数的冒口尺寸计算方法J.现代铸铁，2 0 11，31(S1):30-33.3赵清和.周界商法冒口的补缩效率J.铸造，2 0 0 2（6）：372-374.4李龙.铸钢冒口设计的三次方程法J.电力机车技术，19 9 2(4):14-19.5王洁群.应用比例法设计可锻铸铁冒口尺寸的探讨.铸造，1991(8):27-29.6 SHEN X,CHEN L L,SHAO X,et al.Optimal Riser Design bySTL Arbitrarily Sltting Method and Genetic AlgorithmJ.Mate-rials Science Forum,2011,704-705:1349-1355.7 廖敦明，陈立亮，周建新，等.铸造CAD/CAE智能冒口工艺优化设计J.铸造，2 0 10,59（5）：48 2-48 6.8李胜民，王志贤，殷亚军，等.基于OpenCascade 的铸钢件冒口工艺三维模型设计J.特种铸造及有色合金，2 0 2 2,42（5）：631-635.9 MMS A,GM A.Novel Riser Designs Via 3D Sand Printingto Im-prove Casting Performance J.Procedia Manufacturing,2021,53:500-506.作者简介：肖博予（19 9 7 一），男。2 0 2 0 年毕业于同济大学，在读研究生，研究方向为采煤机械化生产力。（收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 2；责任编辑：任雨晴）2023年第44卷