田國富，高峰

大型鏈篦床小軸的分析與優(yōu)化

田國富，高峰

(沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110870)

小軸是鏈篦床的關(guān)鍵零件之一，在工作時(shí)要承受非常大的工作載荷。為了保證小軸保證有較高的強(qiáng)度和避免工作時(shí)的失效問題，從小軸材質(zhì)和結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行可靠性分析。根據(jù)小軸材質(zhì)的化學(xué)成分確定了其所屬合金類型，探究了該類型合金的力學(xué)性能并進(jìn)行材質(zhì)的重新選擇;對(duì)小軸不同受載類型下的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行有限元仿真分析，并匯總分析力－變仿真數(shù)據(jù)，提供理論參考指導(dǎo)。提出了改進(jìn)方案－篦板自動(dòng)復(fù)位裝置，有效保證了設(shè)備的質(zhì)量。

小軸失效;材料性能;結(jié)構(gòu);應(yīng)力;位移

0 前言

小軸是鏈篦床的關(guān)鍵零件之一，用于連接篦板、鏈節(jié)，其工作性能直接影響整體設(shè)備的正常運(yùn)行和使用安全。小軸彎曲變形和膨脹伸長在鏈篦床中是常見的問題，通常會(huì)引起一系列的并發(fā)故障，如篦板卡死，小軸不能套在鏈輪齒上，多鏈運(yùn)行不同步，受力不均;而小軸斷裂會(huì)使整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)停機(jī)，甚至全面停產(chǎn)。

1 小軸的失效分析

觀察失效的小軸時(shí)發(fā)現(xiàn):小軸與小軸軸孔側(cè)發(fā)生蠕變變形錯(cuò)位，蠕變變形量在篦床兩側(cè)小軸處最大，變形方向與篦床運(yùn)行方向平行，在軸孔處有明顯磨損;小軸中間部位發(fā)生拱起彎曲變形。

造成小軸失效的原因有兩方面:一方面是因?yàn)橹圃煨≥S所用的材料性能不滿足實(shí)際的使用要求;另一方面，主要是由于小軸受力不均引起的，例如輸送帶跑偏使得小軸端部和側(cè)板將會(huì)與側(cè)密封裝置產(chǎn)生很大的摩擦力，使小軸產(chǎn)生彎曲。

2 小軸的材料分析

2.1 材料成分分析

在小軸上取樣進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)試，結(jié)果見表1。根據(jù)測(cè)試結(jié)果查閱標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077-1988，該樣品類型對(duì)應(yīng)鋼種為20CrMo或25CrMo。該鋼種的熱強(qiáng)性較高，淬透性較好，無回火脆性，冷應(yīng)變塑性，可加工性及焊接性均良好。該鋼種中Cr、Ni含量極低，其高溫強(qiáng)度、抗氧化性和耐腐蝕性差，易發(fā)生蠕變變形，所以該小軸樣品材質(zhì)并不能滿足工作要求。

表1 小軸材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)Tab.1Chemical constituents of tiny axle

2.2 材料硬度檢測(cè)

切取試樣對(duì)小軸材料進(jìn)行硬度檢測(cè)，按照GB/T3299－1991，GB/T231.1－2009硬度試驗(yàn)的要求，用直徑為5 mm的硬質(zhì)合金球在750 kN的條件下進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，該材料的布氏硬度約為224 HB，而20CrMo鋼的標(biāo)準(zhǔn)布氏硬度為197 HB，說明材料在使用中出現(xiàn)了硬化現(xiàn)象。

2.3 小軸材料改進(jìn)

根據(jù)工況條件，可選擇耐熱鋼2Cr20制作備件。耐熱鋼2Cr20的間歇服役為735℃，連續(xù)服役為620℃。始終處于交變工況下工作，應(yīng)按間歇服役選擇材質(zhì)。2Cr20淬火(920～980℃油冷)狀態(tài)下硬度高，耐蝕性良好，并添加6%左右的Ni，起到固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，提高高溫抗蠕變能力;加入2%左右的Si，提高耐熱鋼的抗氧化性能和抗硫化性能;加入1%左右N，提高合金的高溫強(qiáng)度;加入9%左右的Mn，用來提高小軸的組織穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度和耐磨性，因此新材質(zhì)為2Cr20 Mn9Ni6Si2N。

根據(jù)《高溫金屬材料的性能、強(qiáng)度設(shè)計(jì)及工和應(yīng)用》，2Cr20在760℃的極限應(yīng)力為462 MPa，安全系數(shù)取1.5，則許用應(yīng)力為308 MPa，能滿足小軸的強(qiáng)度要求，增加的成份使小軸高溫強(qiáng)度再次提高，因此，采用新材料制作小軸能滿足高溫工作強(qiáng)度要求。具體計(jì)算過程詳見文獻(xiàn)［3］。

3.2 小軸有限元分析

小軸的長度2904 mm，直徑為Φ38 mm，兩鏈間隔894 mm，并排放著2塊篦板，一根軸上總共有3條鏈節(jié)，6塊篦板相連。如圖1所示為小軸、鏈節(jié)、篦板的局部裝配圖。

圖1 小軸、鏈節(jié)、篦板的局部裝配圖Fig.1Part assembly drawing of tiny axle，chain link，grid plate

材料2Cr20Mn9Ni6Si2N的彈性模量E為212 GPa，泊松比μ為0.23，密度為7.73 g/cm3，抗拉強(qiáng)度為630 MPa。對(duì)小軸進(jìn)行有限元分析:采用Solid185單元?jiǎng)澐肿杂删W(wǎng)格，每單元有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，每個(gè)網(wǎng)格大小為0.005 m，其網(wǎng)模型如圖2所示。

3 小軸的結(jié)構(gòu)分析

3.1 小軸受力計(jì)算

在忽略無關(guān)因素下，一根小軸在正常工作時(shí)，連接4條鏈，小軸所受的力主要受到前后兩節(jié)鏈節(jié)的拉力，所受約束為全約束。

小軸受牽引鏈的總張力約為620 024.4 N，

圖2 小軸有限元網(wǎng)格劃分模型Fig.2Finite element mesh model of tiny axle

根據(jù)實(shí)際工況，小軸與鏈節(jié)的配合受力主要分為4種狀態(tài):①4個(gè)鏈節(jié)配合處均受力;②1號(hào)、2號(hào)鏈節(jié)配合處受力;③1號(hào)、3號(hào)鏈節(jié)配合處受力;④1號(hào)、4號(hào)鏈節(jié)配合處受力。

(1)4個(gè)鏈節(jié)配合處均受力狀態(tài)。1、2、3、4表示鏈節(jié)所在位置，圖3所示為約束與載荷位置。利用ANSYS軟件求解，圖4、圖5分別為小軸的等效應(yīng)力云圖和變形云圖，可知最大等效應(yīng)力為237 MPa，最大變形量為0.046 7 mm。

圖3 小軸全約束下有限元載荷模型Fig.3Finite element load model of tiny axle under fully constrained

圖4 小軸全約束下等效應(yīng)力云圖Fig.4Equivalent stress contour of tiny axle under fully constrained

圖5 小軸全約束下變形云圖Fig.5Equivalent strain contour of tiny axle under fully constrained

(2)小軸與1號(hào)、2號(hào)鏈節(jié)配合處受力狀態(tài)。此時(shí)，1號(hào)、2號(hào)鏈節(jié)受力分別為620024/2= 310012 N，圖6所示為約束位置及載荷加載位置。利用ANSYS軟件求解，圖7、圖8分別為此時(shí)的等效應(yīng)力云圖和變形云圖，可知最大應(yīng)力為474 MPa，最大變形量為0.901 mm。

圖6 小軸僅1、2號(hào)鏈節(jié)處受載荷圖Fig.6Load diagram of tiny axle while chain link 1＆2 under load only

圖71 、2號(hào)鏈節(jié)受載下的小軸等效應(yīng)力云圖Fig.7Stress contour of tiny axle while link 1＆2 under load only

圖81 、2號(hào)鏈節(jié)受載下的小軸變形圖Fig.8Strain contour of tiny axle while link 1＆2 under load only

(3)小軸與1號(hào)、3號(hào)鏈節(jié)配合處受力。此時(shí)狀態(tài)與狀態(tài)②相似，利用ANSYS軟件求解，圖9、圖10分別為此時(shí)狀態(tài)下的等效應(yīng)力云圖和變形云圖，可知最大等效應(yīng)力為474 MPa，最大變形量為0.509 mm。

圖91 、3號(hào)鏈節(jié)受載下的小軸等效應(yīng)力云圖Fig.9Stress contour of tiny axle while link 1＆3 under load only

(4)小軸與1號(hào)、4號(hào)鏈節(jié)配合處受力狀態(tài)。此時(shí)狀態(tài)與狀態(tài)②相似，用ANSYS軟件求解，圖11、圖12分別為此時(shí)狀態(tài)下下的等效應(yīng)力圖和變形云圖，可知最大等效應(yīng)力為474 MPa，最大變形量為0.293 mm。

圖111 、4號(hào)鏈節(jié)受載下的小軸效應(yīng)力云圖Fig.11Stress contour of tiny axle while link 1＆4 under load only

圖121 、4號(hào)鏈節(jié)受載下的小軸變形圖Fig.12Stress contour of tiny axle while link 1＆4 under load only

3.3 數(shù)據(jù)匯總分析

將4種受力狀態(tài)下的有限元仿真分析數(shù)據(jù)見表3。

表2 小軸不同加載狀態(tài)下的應(yīng)力－應(yīng)變數(shù)據(jù)Tab.2Stress-strain data of tiny axle under different loading conditions

經(jīng)分析可知:在不完全約束的狀態(tài)下，即狀態(tài)②～④這3種狀態(tài)下的小軸受最大等效應(yīng)力相同，但是變形量不同;第2種受力狀態(tài)下的小軸變形最大，第④種狀態(tài)下的變形量較小;第①種狀態(tài)下的小軸所受等效應(yīng)力和變形量都最小。由此可知，小軸在狀態(tài)①下工作對(duì)整體設(shè)備最為有利。

3.4 改進(jìn)方案

為了防止小軸因高溫物料堆積而引起局部高溫或布料不均，從而引起變形失效，在鏈篦機(jī)機(jī)尾設(shè)計(jì)了一篦板自動(dòng)復(fù)位裝置，能使未復(fù)位的篦板自動(dòng)回位，結(jié)構(gòu)如圖13所示。自動(dòng)復(fù)位裝置主要由滾輪1、支架2、底座3、鋼絲軟繩4共同構(gòu)成。在連續(xù)運(yùn)行的鏈篦床上，未自然復(fù)位的篦板經(jīng)過滾輪時(shí)，滾輪的重力與鏈篦機(jī)的驅(qū)動(dòng)力對(duì)未復(fù)位的篦板產(chǎn)生壓迫，強(qiáng)制篦板復(fù)位。

圖13 篦板自動(dòng)復(fù)位裝置Fig.13Grid plate automatic runback device

4 結(jié)論

對(duì)小軸的材料化學(xué)成分分析，證明原材料的缺陷，選取新材料2Cr20Mn9Ni6Si2N;通過對(duì)新材料小軸的4種狀態(tài)進(jìn)行有限元分析，探究了小軸的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題提出改進(jìn)方案，即篦板自動(dòng)復(fù)位裝置，實(shí)踐證明效果良好，降低了經(jīng)濟(jì)損失。

［1］高耀東，劉學(xué)杰，何建霞．ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用精華50例［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2011．

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［3］劉盛錢，崔穎，韓守慶．鏈篦床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化［J］．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2014(24):82．

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［5］姚天祥，王程．淺析鏈篦機(jī)篦床跑偏原因及解決方法［J］．中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2013(10):188．

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Analysis and optimization of the tiny axle of large grate

TIAN Guo-fu，GAO Feng
(Shenyang University of Technology School of Mechanical Engineering，Shenyang 110870，China)

The tiny axle is one of the key parts of the grate and always undertake heavy load in processing．In order to guarantee its strong strength and avoid its failure，its material property and structure were analyzed，and the alloy type was determined according to its mechanical ingredient，and its stress property was explored and the material was selected again．The stress and strain under different kinds of loads were simulated and analyzed by finite element model，the simulation data were collected and analyzed，which provided effective reference basis for practical structure improvement of tiny axle．Meanwhile grid plate automatic runback device，as an improvement scheme，was proposed，which are verified in practice．

tiny axle failure;material property;structure;stress;strain

TF046

A

1001－196X(2017)01－0079－05

2015－11－20;

2016－02－29

沈陽市科技創(chuàng)新專項(xiàng)資金-工業(yè)科技攻關(guān)項(xiàng)目(F15-040-2-00)

田國富(1968－)男，漢族，博士，教授，研究領(lǐng)域: CAD/CAE技術(shù)，數(shù)控技術(shù)與裝備等。