数值模拟的煤矿机械论文范文

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1柱帽的模拟结果与分析

图2是凝固过程随时间变化的结果，颜色条的深浅表示凝固的不同状态，透明表示完全凝固，颜色越深，表示温度越高（下同）。t=1400s时，柱帽下方的双耳及上平面的“王”字加强肋已经凝固，温度最高的部位，出现在中间，见图2（a）；当t=1650s时，柱帽中心完全凝固，连通的液体变成4个独立孤岛，这些孤岛在后续的凝固过程中得不到补缩，必然产生质量缺陷，见图2（b）。

2加上冒口的柱帽凝固过程数值模拟

由图2的凝固模拟过程可知，需要把最后凝固的凹槽部分转移到冒口中去。在铸件的中心位置，设置一个240mm×120mm，×200mm椭圆形大口。由于柱帽上方的“王”字加强肋结构，两边丁字形的加强肋部位也需要补缩，因此在两边丁字形的部位各设置2个120mm×80mm×160mm较小的椭圆形冒口。把加上冒口的柱帽绘制三维立体图，转换成*.stl格式，再次用V-Cast软件进行数值模拟。图3是带冒口的柱帽凝固过程随时间变化的模拟结果。t=1600s时，四周已经凝固，整个柱帽中剩余未凝固液体呈现元宝形状；t=3000s时，柱帽中心区域的金属液体逐渐缩小，大冒口下面最后凝固的部位不是在冒口内，而是在工件上，这样会导致“王”字加强肋中心的十字部位存在缩孔缩松的质量缺陷。说明要想获得质量合格的铸件，必须加大冒口的向下补缩距离，提高热节存在的部位。

3带浇注系统的工件凝固过程数值模拟

根据图3的结果，大冒口的下方存在质量缺陷，应延长其补缩距离。宽度120mm不变，长度由240mm增加到280mm，高度由200mm增加到280mm，同时增加20mm厚的保温套。一箱两件造型，半封闭浇注系统，2个内浇道开在分型面上。直浇道高度400mm，直浇道窝60mm，直浇道直径准55mm；横浇道长度330mm，下底宽32mm，高32mm，上底宽28mm；内浇道长度160mm，下底宽44mm，高20mm，上底宽32mm。把加上浇铸系统的模型转换成*.stl格式导入V-cast软件，模拟结果如图4。加上保温套之后，整个铸件的凝固过程明显延长；t=1500s时，浇注系统凝固，保温冒口和十字加强肋结合的部位温度最高，小冒口即将凝固；t=4500s时，保温冒口内存在着最后未凝固的液体，说明随着凝固过程的进行，冒口内的液体对铸件形成了有效补缩。图5是利用虚拟X射线对柱帽的检测结果，可看出，缩孔、缩松质量缺陷均转移到冒口中，从而证明了设计的浇注系统合理性。

4实际生产验证

为了检验实际效果，采用计算机数值模拟的铸造工艺，在某铸造公司进行试制生产，浇注的柱帽经过超声检测，质量合格，安装在液压支架上，经过井下试用，其技术指标符合要求，没有出现破裂等质量问题。缩短了铸造周期，提高了产品质量，降低了能源消耗。

5结语

（1）利用计算机数值模拟软件对柱帽的凝固过程进行了数值模拟，设计了2个小冒口和1个大冒口；结果发现：小冒口能形成有效补缩，大冒口的补缩能力不够；（2）增加保温套，同时增加冒口高度和长度，采用一箱两件造型，再次模拟发现，热节部位上移，缩松缩孔完全转移到了冒口中，经生产验证，设计的铸造工艺能满足技术要求；（3）运用计算机数值模拟技术，能预测铸造过程的缩松和缩孔，提高浇注系统的设计效率，缩短制造周期，改善产品质量，降低人力物力的消耗，是一种极有发展前景的绿色铸造技术。

作者：李鸿征赵锋单位：焦作大学机电工程学院