0前言
   
    掘進(jìn)機(jī)的使用在我國礦山開采中越來越廣泛。作為掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵部件一截割頭，其質(zhì)量直接影響機(jī)器的綜合性能。在截割頭上按照一定規(guī)律分布著數(shù)十個(gè)截齒(不同型號(hào)的機(jī)器可能不同)，截齒座是焊接在截割頭上的。實(shí)際生產(chǎn)中，由于截齒座的脫落數(shù)量過多而導(dǎo)致的截割頭返修或報(bào)廢大量存在。因此，截割齒的焊接質(zhì)量十分關(guān)鍵。焊接工藝是焊接質(zhì)量的重要保證，本文試圖從有限元分析的角度改進(jìn)焊接工藝。
   
    1截割頭焊接工藝難點(diǎn)及存在問題
   
    一般情況下，截割頭的材料為ZG247~500,碳當(dāng)量Geq=0.49%;齒座材料為35CrMo,碳當(dāng)量Ceq = 0.65%。由于這2種材料的碳含量都較高，材料的淬硬性傾向十分明顯，可焊接性能較差。另外，齒座的安裝角度各不相同，使得每個(gè)焊接面的焊縫都各不相同，焊縫高度存在明顯的差別，加之截割頭的厚度較厚，焊接時(shí)容易產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力，嚴(yán)重的可能產(chǎn)生一些熱裂紋，導(dǎo)致焊接失敗。
   
    雖然在現(xiàn)場施工中采取了一系列措施，如焊接前預(yù)熱，焊接后熱處理等方法，但由于不清楚截齒工作時(shí)焊縫處的應(yīng)力分布，焊接工藝的針對(duì)性不強(qiáng)，因此生產(chǎn)中大多數(shù)還是按照傳統(tǒng)的焊接工藝進(jìn)行施工，往往事倍功半。
   
    2 問題分析及建模
   
    掘進(jìn)頭在截割煤巖時(shí)，截齒承受非常大的沖擊載荷及扭矩，這些負(fù)荷通過截齒、齒靴最終傳遞到截齒座與截割頭的連接處。顯然，連接處的應(yīng)力分布是不均勻的，本文主要研究應(yīng)力究竟是如何分布的。
   
    (1)有限元分析的意義
   
    本文采用Solidworks的插件Cosmosworks來進(jìn)行模型有限元分析。掘進(jìn)頭、截齒、齒靴、齒座種類比較多，選擇不同的齒座與掘進(jìn)頭連接，其連接處的工作應(yīng)力分布顯然不同。通過有限元分析，能夠清楚地看到焊縫上的應(yīng)力分布情況，由此可以改進(jìn)齒座的設(shè)計(jì)，使焊縫的工作應(yīng)力分布盡量地趨于均勻，降低焊接難度。
   
    (2)建模
   
    首先采用Solidworks三維制圖軟件建立截齒與截割頭的安裝模型。為簡化模型，本文只畫出了一個(gè)截齒。圖1是某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)頭的一部分，焊縫高設(shè)定14 mm，部分高度由Solidworks根據(jù)交線形狀生成。沖擊角B=450，偏轉(zhuǎn)角a=80，其他尺寸按實(shí)際制作，部件的材料按照實(shí)際工件材料設(shè)定。
   
    (3)分析步驟
   
    根據(jù)Cosmosworks的要求，設(shè)定材料、加負(fù)載、劃分網(wǎng)格和執(zhí)行分析。在本例中，為簡化分析，在截割的沖擊方向加一個(gè)反向的恒定載荷。根據(jù)Evans公式，載荷
   

    根據(jù)有關(guān)資料，X=10~33,  hi和β一般相對(duì)變化較小，因此，截割載荷基本上由Rc確定，取Rc=100 MPa, X=15, hi=40mm，β=10°。帶入得Fi=0.89 kN，載荷的分布為截齒尖均勻分布。由于焊縫的尺寸較小，網(wǎng)格劃分時(shí)其尺寸不能太大。圖2為網(wǎng)格劃分的一個(gè)結(jié)果。最后進(jìn)行Cosmosworks的有限元分析，圖3為分析的應(yīng)力云圖。
   

    3結(jié)果分析
   
    在圖3上，可以清晰地看到A處是應(yīng)力集中最大處，在焊接時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)此處的處理。此種齒座雖然不容易造成齒座干涉，但是應(yīng)力集中也最嚴(yán)重，不利于齒座的焊接。設(shè)計(jì)了幾種不同形制的齒座分別進(jìn)行了有限元分析，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)增加B,G面與截割頭面的交角，增大B,C面之間的圓弧，能夠有效降低應(yīng)力集中及應(yīng)力，減小焊高，降低焊接時(shí)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。但是過大的交角勢(shì)必增加齒座的尺寸，容易造成齒座干涉，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)截割頭的形狀具體確定。
   
    在制定焊接工藝時(shí)，首先要根據(jù)截割頭的截割功率選擇合適的齒座，處理結(jié)合面(如將齒座底面加工成弧度)，以降低焊縫的高度;其次，焊接前要進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)熱，焊接時(shí)在圖4中的B面和C面的交角處的焊縫應(yīng)當(dāng)盡可能地采用大圓弧過渡，減小工作應(yīng)力的集中，這樣也相應(yīng)地降低焊接難度;最后要進(jìn)行焊后熱處理。
   
    4結(jié)語
   
    (1) Solidworks軟件是一個(gè)強(qiáng)大的三維制圖軟件，利用它能夠很快地建立起各種模型。由于截割頭是曲面，截齒座在組裝模式下安裝有一定難度，但完全可行(一般資料上認(rèn)為Solidwork，不支持)。Cosmosworks分析工具與Solidworks的無縫連接使得有限元分析方便而快捷。
   
    (2)截割頭與截齒的結(jié)合面的形狀不一致，焊接難度較大。采用有限元分析，可以預(yù)知焊縫在工作時(shí)的應(yīng)力分布，從而采取針對(duì)性的措施，提高焊接質(zhì)量。采用Solidworks可以很輕松地在關(guān)聯(lián)狀態(tài)下改變齒座的形制，迅速的進(jìn)行有限元分析。