斗輪堆取料機(jī)斗輪體有限元分析及疲勞壽命預(yù)測(cè)

楊亮

摘 要：隨著工業(yè)化的持續(xù)發(fā)展，企業(yè)對(duì)散狀物料裝罐設(shè)備的需求逐漸加大，集斗輪堆取料機(jī)及物料堆取、輸送和混勻作業(yè)于一體，能夠完成堆取合一、連續(xù)高效裝卸輸送工作，一方面提高了工作效率，另一方面還有效地降低了成本。不過，斗輪軸突發(fā)失效會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至?xí)l(fā)傷亡。該文對(duì)建立的斗輪體三維模型進(jìn)行有限元分析，對(duì)斗輪軸進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，并提高改善方法，以便能夠提高斗輪軸的使用用命。

關(guān)鍵詞：斗輪堆取料機(jī) 斗輪軸 斗輪體 有限元分析 疲勞壽命

中圖分類號(hào)：TH246 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）02（a）-0245-01

斗輪堆取料機(jī)也稱為斗輪機(jī)，其生產(chǎn)效率高，操作簡(jiǎn)單，非常適用于大大型露天礦連續(xù)高效開采作業(yè)。該文對(duì)建立的斗輪體三維模型進(jìn)行有限元分析，對(duì)斗輪軸進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，并提高改善方法，以便能夠提高斗輪軸的使用用命。

1 斗輪堆取料機(jī)斗輪體有限元分析

在工程設(shè)計(jì)中，往往以剛性梁?jiǎn)卧獊砻枋鲧P斗的開頭和受力特征，從而方便對(duì)鏟斗斗唇斗底的挖取力施加。

1.1 模型在有限元軟件中的計(jì)算原則及理論基礎(chǔ)

鏟斗的厚度不高，插入阻力和挖取阻力沿鏟斗百度方向不會(huì)造成影響，可以將鏟斗受力模型簡(jiǎn)化為受均布載荷的簡(jiǎn)支梁，鏟斗在推壓阻力以及重力的雙重影響下會(huì)出現(xiàn)變形，將鏟斗半背的形狀設(shè)為平面；在力的作用下，變形不超過鏟斗的幾何形狀尺寸。

1.2 模型導(dǎo)入

在SolidWorks軟件中建立斗的輪裝配體導(dǎo)入到Ansys軟件，可以采用很多種方法，比較常見的是IGES、parasolid等格式。該文選用Workbench12.0無疑鏈接的方法。

1.3 參數(shù)設(shè)定

設(shè)置類型、定義材料屬性，斗輪體材料為45鋼，材料性能參數(shù)如下：密度，彈性模量，泊松比。

1.4 劃分網(wǎng)絡(luò)

把實(shí)體模型予以離散，通過有限的小單元求解值近似代替實(shí)體計(jì)算值，需要注意的是網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，否則會(huì)對(duì)結(jié)果造成影響。

1.5 施加載荷、設(shè)定約束條件

做出位移邊界條件的確定，之后施加載荷和約束。不同的挖取階段所受力的情況也隨著發(fā)生變化，分別取兩個(gè)工況對(duì)其受力模型予以簡(jiǎn)化，挖取阻力、推壓取力以及物料重力全部為線性均布載荷。

1.6 仿真結(jié)果

斗輪實(shí)際挖取物料的靜力分析結(jié)果圖1所示，是鏟斗插入階段的受力狀況圖，在不同工況、斗輪形狀相同的條件下，斗輪體上應(yīng)力的集中位置在插入階段有不同的變化。

2 斗輪軸疲勞分析

2.1 斗輪軸疲勞失效機(jī)制

斗輪體的扭矩、推力等變化載荷傳遞作用于斗輪軸，并反復(fù)作用其中，在一定次數(shù)之后，輪軸會(huì)出現(xiàn)變形，再加上載荷不斷作用其中，斗輪軸表面會(huì)突發(fā)形成裂紋，很大程度的降低其承載能力，最終使斗輪軸出現(xiàn)斷裂，造成斗輪軸失效。由于斗輪軸疲勞失效是一個(gè)逐漸延長伸展的過程，在裂紋萌生階段無法用肉眼看到。有資料顯示，裂紋和延長伸展速率與線裂紋尺寸和循環(huán)次數(shù)有很大的關(guān)系，假設(shè)臨界損傷值，當(dāng)材料平均損傷值達(dá)為D0時(shí)，裂紋尖點(diǎn)向前擴(kuò)張D1，與其相對(duì)的循環(huán)次數(shù)為，第h次裂紋擴(kuò)張速率為：

其中，a為裂紋尺寸；N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；Dl為裂紋尖點(diǎn)向前延長伸展尺寸；n為疲勞延長伸展裂紋擴(kuò)張方向上節(jié)點(diǎn)數(shù)。

2.2 疲勞損傷表征

通常情況下，評(píng)價(jià)材料疲勞性能用S-N曲線來描述，測(cè)試材料疲勞性能的樣品選擇為相對(duì)較小同時(shí)沒有出現(xiàn)裂紋的光滑圓柱。應(yīng)力比的計(jì)算為：。應(yīng)力與壽命的曲線關(guān)系可以通過冥函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和三參數(shù)表達(dá)式來予以表示。

2.3 斗輪軸疲勞強(qiáng)度分析

在SolidWorks建立的斗輪軸實(shí)體模型，并模擬斗輪軸挖取物料受力最大工況，在斗輪軸安裝軸承處設(shè)定約束，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，計(jì)算出斗輪軸應(yīng)力分布圖，可知靠近斗輪輪休側(cè)安裝軸承處輪軸的強(qiáng)度最大。在預(yù)告規(guī)定的應(yīng)力下，應(yīng)力范圍越小，斗輪軸的使用壽命越長，如果交變應(yīng)力值接近200MPa時(shí)，斗輪軸不會(huì)出現(xiàn)破裂，壽命接近于無限長。

3 結(jié)果分析及改善

斗輪軸造成疲勞斷裂影響的因素有多種。比如載荷性質(zhì)、約束形式、基體結(jié)構(gòu)尺寸、支承形式、加工工藝以及贖回環(huán)境等等。

（1）斗輪軸疲勞磨損程度與基體的各因素相關(guān)，基體尺寸越小磨損程度越低。

（2）斗輪軸加粗，或者對(duì)其薄弱的一面給予修復(fù)，能夠有提升輪軸的抗疲勞損傷效應(yīng)。

（3）可以采用Q235-A鋼來代替45鋼，斗輪軸的最大應(yīng)力值為59.12MPa，比材料的屈服力小3倍多，進(jìn)而也可以提升抗疲勞操作強(qiáng)度。

（4）可以將斗輪體減速器分別布置在軸承的外側(cè)。此種方式的斗輪體一側(cè)不會(huì)受到任何束縛，促進(jìn)最佳切水果角的形成，非常適用于采掘具有傾斜邊坡料堆。

參考文獻(xiàn)

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