劉楠
摘 要:為了探究刮板輸送機(jī)啞鈴易斷裂的問題,本文通過實(shí)驗(yàn)研究與疲勞分析相結(jié)合的方式對啞鈴進(jìn)行力學(xué)特性分析;利用ANSYS對啞鈴進(jìn)行有限元分析,得到應(yīng)力分布結(jié)果;運(yùn)用啞鈴載荷測試系統(tǒng)對啞鈴的加載實(shí)驗(yàn)研究,得到啞鈴在實(shí)際工作中的載荷數(shù)據(jù);采用nCode DesignLife對提取危險(xiǎn)區(qū)域最大等效應(yīng)力時(shí)間歷程進(jìn)行雨流計(jì)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(kuò)展區(qū)擴(kuò)散到一定程度后到達(dá)疲勞斷裂區(qū),使整個(gè)啞鈴斷裂,根據(jù)刮板輸送機(jī)的工作條件得到啞鈴產(chǎn)生裂紋的時(shí)間為92d,為啞鈴的結(jié)構(gòu)改進(jìn)安裝提供設(shè)計(jì)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(hào):TD528 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2017)08(b)-0034-02
1 刮板輸送機(jī)啞鈴力學(xué)性能分析
刮板輸送機(jī)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(shí)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(jī)的彎曲越嚴(yán)重,啞鈴所受拉力會(huì)逐漸增大,當(dāng)一段的推移過程完成,拉力將達(dá)到最大。刮板輸送機(jī)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(gè)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(gè)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。
刮板輸送機(jī)中部槽之間靠啞鈴連接,允許輸送機(jī)沿縱向有一定量的移動(dòng),水平和垂直方向有一定量的偏轉(zhuǎn)。正常采煤作業(yè)時(shí),采煤機(jī)騎在輸送機(jī)上,沿輸送機(jī)向一個(gè)方向前進(jìn)割煤,而在其后,輸送機(jī)在支架推力作用下向煤壁方向橫向推進(jìn)一個(gè)攘筒截深,即一個(gè)推進(jìn)步距,為采煤機(jī)反向割煤做準(zhǔn)備。在輸送機(jī)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(kuò)大到由推移步距和輸送機(jī)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(jī)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(dòng)輸送機(jī)至頂點(diǎn)時(shí),作用在彎曲段槽間連接啞鈴和槽幫啞鈴座上的力也達(dá)到最大,此時(shí)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(jì)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(jìn)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(kuò)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(shí)質(zhì)上是局部循環(huán)應(yīng)變累積的結(jié)果。本文采用實(shí)驗(yàn)與科學(xué)分析結(jié)合進(jìn)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(jìn)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(jìn)行動(dòng)態(tài)加載,施加動(dòng)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(gè)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(jì)算可得,啞鈴所受最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)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?yàn)閱♀徱欢斯潭ㄖС校硪欢耸芰Φ木壒省?/p>
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(jìn)行分析。使用nCode對零件進(jìn)行疲勞壽命分析時(shí),需要有限元結(jié)果、材料疲勞性能和載荷譜3個(gè)外部條件。
由于啞鈴在采煤機(jī)不同工況時(shí)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(jìn)行雨流算法轉(zhuǎn)換,得到雨流柱狀圖。
啞鈴最大損傷點(diǎn)及疲勞壽命最小點(diǎn)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大應(yīng)力點(diǎn)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(shí)間大約為463h,刮板輸送機(jī)按照每天工作18h,刮板輸送機(jī)推溜工況按照每天5h計(jì)算,可以得到啞鈴產(chǎn)生裂紋的時(shí)間約為92d。
3 結(jié)語
通過分析刮板輸送機(jī)中部槽的工作狀況,對中部槽啞鈴部分進(jìn)行力學(xué)分析,運(yùn)用自行研制的啞鈴傳感器測試系統(tǒng),獲取啞鈴的實(shí)時(shí)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(shí)際測試了啞鈴在不同工況下所受的實(shí)時(shí)載荷,利用平均載荷進(jìn)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(jìn)行分析,通過擬合得到載荷數(shù)據(jù),截取推溜時(shí)的載荷曲線導(dǎo)入nCode進(jìn)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(kuò)展區(qū)擴(kuò)散到一定程度后到達(dá)疲勞斷裂區(qū),使整個(gè)啞鈴斷裂。
參考文獻(xiàn)
[1] 薄興馳,李祥松.刮板輸送機(jī)啞鈴銷加載試驗(yàn)研究[J].煤礦機(jī)械,2015(12):93-94.
[2] 朱秀梅.刮板輸送機(jī)關(guān)鍵零部件的強(qiáng)度分析及研究[D].遼寧工程技術(shù)大學(xué),2006.
[3] 李文軍,姜翎燕,楊保良.啞鈴連接銷的靜態(tài)強(qiáng)度與疲勞分析[A].中國煤炭學(xué)會(huì).中國科協(xié)2005年學(xué)術(shù)年會(huì)第20分會(huì)場論文集[C].2005.endprint