刮板輸送機啞鈴的疲勞壽命分析

劉楠

摘 要：為了探究刮板輸送機啞鈴易斷裂的問題，本文通過實驗研究與疲勞分析相結(jié)合的方式對啞鈴進行力學(xué)特性分析；利用ANSYS對啞鈴進行有限元分析，得到應(yīng)力分布結(jié)果；運用啞鈴載荷測試系統(tǒng)對啞鈴的加載實驗研究，得到啞鈴在實際工作中的載荷數(shù)據(jù)；采用nCode DesignLife對提取危險區(qū)域最大等效應(yīng)力時間歷程進行雨流計數(shù)和疲勞壽命分析，得到啞鈴的損傷云圖和壽命循環(huán)次數(shù)。研究結(jié)果表明，啞鈴損壞是從啞鈴頸部應(yīng)力集中最大區(qū)域形成的疲勞開始，當(dāng)裂紋擴展區(qū)擴散到一定程度后到達疲勞斷裂區(qū)，使整個啞鈴斷裂，根據(jù)刮板輸送機的工作條件得到啞鈴產(chǎn)生裂紋的時間為92d，為啞鈴的結(jié)構(gòu)改進安裝提供設(shè)計依據(jù)。

關(guān)鍵詞：啞鈴 力學(xué)性能 載荷譜 疲勞壽命

中圖分類號：TD528 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（b）-0034-02

1 刮板輸送機啞鈴力學(xué)性能分析

刮板輸送機橫向平移過程中啞鈴的受力非常復(fù)雜，拉力大小不僅取決于推移步距、橫向推移阻力的大小，同時還受溜槽長度、槽間水平允許轉(zhuǎn)角的影響。在推溜過程中，隨著液壓支架的向前推移的距離越大，管板輸送機的彎曲越嚴(yán)重，啞鈴所受拉力會逐漸增大，當(dāng)一段的推移過程完成，拉力將達到最大。刮板輸送機工作期間，啞鈴承受拉力的復(fù)雜性還體現(xiàn)在啞鈴的承載區(qū)域上。在不同的推溜循環(huán)啞鈴與啞鈴座的接觸區(qū)域基本上可以分為兩種：一種是啞鈴?fù)苟诵泵嬲w受力凸端斜面上下兩個較小區(qū)域內(nèi)受力；另一種是啞鈴經(jīng)過多次的現(xiàn)場調(diào)研和探討總結(jié)發(fā)現(xiàn)，兩種接觸區(qū)域出現(xiàn)的次數(shù)基本符合次數(shù)比大約為1/2這樣一個統(tǒng)計規(guī)律。

刮板輸送機中部槽之間靠啞鈴連接，允許輸送機沿縱向有一定量的移動，水平和垂直方向有一定量的偏轉(zhuǎn)。正常采煤作業(yè)時，采煤機騎在輸送機上，沿輸送機向一個方向前進割煤，而在其后，輸送機在支架推力作用下向煤壁方向橫向推進一個攘筒截深，即一個推進步距，為采煤機反向割煤做準(zhǔn)備。在輸送機橫移過程中，開始由一節(jié)中部槽構(gòu)成小“S”彎，隨后發(fā)展擴大到由推移步距和輸送機自身結(jié)構(gòu)確定的一定節(jié)數(shù)的中部槽構(gòu)成的大“S”彎，形成彎曲段。

決定輸送機橫向推移彎曲段啞鈴連接受力的因素很多，如溜槽長度、槽間水平允許轉(zhuǎn)角、推移步距、橫向推移阻力和推溜架型等。當(dāng)液壓支架推動輸送機至頂點時，作用在彎曲段槽間連接啞鈴和槽幫啞鈴座上的力也達到最大，此時啞鈴受拉。將彎曲段上支架橫向推溜力產(chǎn)生的彎矩和橫向力與阻力產(chǎn)生的彎矩和橫向力疊加，就可以計算出啞鈴的彎矩和橫向力。本文針對啞鈴的工作狀況對啞鈴的受力進行簡化如圖1所示。

2 疲勞壽命分析

疲勞失效是材料局部裂紋萌生、擴展的結(jié)果。經(jīng)典斷裂力學(xué)的研究表明，大多數(shù)工程材料，尤其是金屬，即使宏觀上處于完全彈性狀態(tài)，裂尖前沿局部區(qū)域也有屈服現(xiàn)象。近期不銹鋼焊縫金屬的疲勞短裂紋行為研究表明，光滑表面材料的疲勞“有效短裂紋”萌生區(qū)域與“主導(dǎo)有效短裂紋”裂尖前沿區(qū)域存在更大范圍屈服[1]。因此，從疲勞損傷演化局部性角度，一般工程材料的疲勞失效實質(zhì)上是局部循環(huán)應(yīng)變累積的結(jié)果。本文采用實驗與科學(xué)分析結(jié)合進行分析，分析啞鈴材料E-N曲線和載荷譜。為避免求解大量的矩陣方程，采用ANSYS對啞鈴進行加載，得出準(zhǔn)確的應(yīng)力分布，使用nCode來最終得到啞鈴疲勞壽命。

將合理簡化后的啞鈴模型導(dǎo)入到ANSYS中進行動態(tài)加載，施加動態(tài)載荷的平均載荷與對應(yīng)的約束，得到啞鈴的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖，如圖2、圖3所示。

從圖2中可以看出，啞鈴的兩個內(nèi)端面拐角處應(yīng)力最大，啞鈴所受最大應(yīng)力為，有：

（3）

式中：為最大許用應(yīng)力，MPa；

為材料屈服應(yīng)力，MPa；

n為安全系數(shù)，這里取n=1.8。

計算可得，啞鈴所受最大應(yīng)力遠遠小于材料的屈服強度。

從圖3中可以看出啞鈴的最大位移發(fā)生在啞鈴的端部，這是因為啞鈴一端固定支承，另一端受力的緣故。

nCode針對壽命分析提供了應(yīng)力疲勞分析、應(yīng)變疲勞分析、多軸疲勞分析等多種分析方法[2]。本文采用應(yīng)變疲勞的分析方法對啞鈴進行分析。使用nCode對零件進行疲勞壽命分析時，需要有限元結(jié)果、材料疲勞性能和載荷譜3個外部條件。

由于啞鈴在采煤機不同工況時受到的載荷有較大差異，為了更好地研究啞鈴疲勞壽命，截取一段受力最大的載荷曲線，截取150s的載荷曲線，將已有的載荷曲線導(dǎo)入到nCode的load data中，進行雨流算法轉(zhuǎn)換，得到雨流柱狀圖。

啞鈴最大損傷點及疲勞壽命最小點的分析結(jié)果與應(yīng)力集中部位基本吻合，最先損傷產(chǎn)生裂紋的部位為啞鈴的頸部。在啞鈴頸部的應(yīng)力集中最大區(qū)域中，最大損傷值為9.98×10-5，啞鈴最小疲勞壽命循環(huán)次數(shù)為1.113×104次，而其他部位螺紋牙根部的疲勞壽命循環(huán)次數(shù)大多數(shù)在1.52×106次，遠遠大于最大應(yīng)力點部位的疲勞壽命，根據(jù)截取的載荷數(shù)據(jù)，可換算得到啞鈴的推溜時間大約為463h，刮板輸送機按照每天工作18h，刮板輸送機推溜工況按照每天5h計算，可以得到啞鈴產(chǎn)生裂紋的時間約為92d。

3 結(jié)語

通過分析刮板輸送機中部槽的工作狀況，對中部槽啞鈴部分進行力學(xué)分析，運用自行研制的啞鈴傳感器測試系統(tǒng)，獲取啞鈴的實時載荷，利用中部槽在推溜工況下的最大工作載荷，研究啞鈴的疲勞壽命，結(jié)論如下。

（1）本文分析了中部槽啞鈴的受力情況，實際測試了啞鈴在不同工況下所受的實時載荷，利用平均載荷進行靜力分析得到啞鈴的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)。

（2）通過對啞鈴應(yīng)變片微應(yīng)變數(shù)據(jù)進行分析，通過擬合得到載荷數(shù)據(jù)，截取推溜時的載荷曲線導(dǎo)入nCode進行疲勞分析，得出疲勞壽命結(jié)果。

（3）啞鈴損壞是從啞鈴頸部應(yīng)力集中最大區(qū)域形成疲勞源開始的，當(dāng)裂紋擴展區(qū)擴散到一定程度后到達疲勞斷裂區(qū)，使整個啞鈴斷裂。

參考文獻

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