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        基于HyperWorks軟件的通過(guò)預(yù)拉伸提高礦用鏈條疲勞壽命的研究

        2022-12-12 10:42:00白玉峰李春飛姚禮志
        中國(guó)設(shè)備工程 2022年22期
        關(guān)鍵詞:鏈環(huán)礦用鏈條

        白玉峰,李春飛,姚禮志

        (1.中煤張家口煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司;2.河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 張家口 076250)

        1 前言

        近年來(lái),隨著國(guó)內(nèi)外政治經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化,中央再次確定了以煤炭為主的能源格局。煤機(jī)企業(yè)響應(yīng)政策,不斷提高礦用裝備技術(shù)水平。

        礦用高強(qiáng)度鏈條是刮板輸送機(jī)的重要零部件。輸送機(jī)機(jī)頭鏈輪、機(jī)尾鏈輪鏈條共同組成了輸送機(jī)的運(yùn)輸系統(tǒng)。鏈條工況惡劣,受力很大,時(shí)常出現(xiàn)鏈環(huán)斷裂,輸送機(jī)停機(jī)的現(xiàn)象。

        經(jīng)過(guò)從現(xiàn)場(chǎng)照片分析(圖1),失效的部位基本都處于鏈環(huán)肩部45°角度處,經(jīng)過(guò)有限元軟件靜力學(xué)分析,失效的位置與應(yīng)力最大處吻合,但問(wèn)題是,分析顯示此處并未達(dá)到材料的破斷極限,甚至都沒(méi)有超過(guò)材料的屈服極限。

        結(jié)合鏈條工作條件,其工作過(guò)程是鏈條圍繞著機(jī)頭和機(jī)尾2個(gè)鏈輪進(jìn)行環(huán)形運(yùn)動(dòng),故其雖然并未達(dá)到斷裂極限,但是由于周期力的作用,材料疲勞亦會(huì)造成其失效。從現(xiàn)場(chǎng)失效的鏈環(huán)照片觀察,在斷裂端口附近可以發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋。故此,如何提高鏈環(huán)的疲勞壽命成為了首要問(wèn)題。

        提高疲勞壽命首要辦法就是降低關(guān)鍵部位的應(yīng)力,根據(jù)應(yīng)力—疲勞壽命曲線,疲勞壽命和疲勞應(yīng)力呈反比非線性關(guān)系。少許降低應(yīng)力,可以大幅度提升壽命。由

        于圓環(huán)鏈的制造工藝是一根鐵棒圍彎形成的,故無(wú)法從外形結(jié)構(gòu)上進(jìn)行降低應(yīng)力的優(yōu)化,所以,問(wèn)題要在制造工藝上解決。

        一般認(rèn)為,疲勞失效和拉應(yīng)力有關(guān),和壓應(yīng)力無(wú)關(guān)。本文提出通過(guò)預(yù)拉伸工藝增加內(nèi)部壓應(yīng)力從而抵抗實(shí)際工況下的拉應(yīng)力的方法。下文將對(duì)此進(jìn)行有限元方法的分析和驗(yàn)證。

        2 鏈環(huán)正常工況下的有限元分析

        本文采用48-152型圓環(huán)鏈進(jìn)行分析。此鏈環(huán)采用材料是23MnNiMoGr54,直徑為48mm的圓棒料制作,截距為152mm。環(huán)鏈環(huán)在正常工況下,其材料基本不會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài),但是為了驗(yàn)證的嚴(yán)密性,仍然采用非線性分析。

        2.1 有限元模型的建立及工況加載

        本文使用HyperWork軟件進(jìn)行研究。整體模型為單個(gè)鏈環(huán)的八分之一,采用ton-mm-s-N-MPa單位制?;贖yperWork軟件強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能,模型采用六面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格大小為3mm。鏈環(huán)材料密度為楊 氏 模 量 是泊 松 比 為0.3,屈服應(yīng)力1200MPa,應(yīng)變硬化參數(shù)為1000MPa。

        2.2 工況加載

        由于是對(duì)稱(chēng)分析,在模型的切面上加載法向方向的位移約束,在鏈環(huán)接觸的位置加載力。根據(jù)GB/T12718《礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈》,此48鏈環(huán)正常工況下受力最大為905KN。由于模型為1/8模型,所以加載的力為1/4。此力均分在24個(gè)接觸單元上,邊界處節(jié)點(diǎn)加載為面節(jié)點(diǎn)的1/2。如圖2所示。

        2.3 結(jié)果顯示

        根據(jù)結(jié)果所示,整體變形最大部位在鏈環(huán)接觸處,為0.7mm,應(yīng)力最大部位在鏈環(huán)的內(nèi)圈肩膀處,為1000MPa,距離1200MPa的屈服極限還有一定距離(圖3)。

        3 鏈環(huán)預(yù)拉伸及正常工況下的有限元分析

        此過(guò)程為非線性過(guò)程,分為3個(gè)步驟,具有先后順序。第一步,給鏈環(huán)加載一個(gè)比較大的力,此力可導(dǎo)致鏈環(huán)應(yīng)力最大的部位進(jìn)入非線性變形階段。第二步,給鏈環(huán)卸載,此時(shí)有一部分材料已經(jīng)進(jìn)入非線性變形階段,無(wú)法恢復(fù),而線性變形的材料又有回彈至初始狀態(tài)的趨勢(shì),此過(guò)程會(huì)導(dǎo)致線性變形的材料給予非線性變形材料壓應(yīng)力。第三步,加載正常工況力。此時(shí),鏈環(huán)變形首先抵消鏈環(huán)內(nèi)圈肩部的壓應(yīng)力,壓應(yīng)力抵消為0后,才會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生拉應(yīng)力,此時(shí)的拉應(yīng)力小于未經(jīng)預(yù)拉伸之后的拉應(yīng)力。由于拉應(yīng)力的減小,根據(jù)應(yīng)力—疲勞壽命曲線,材料的疲勞壽命將會(huì)呈非線性大幅度提高。

        3.1 模型建立

        此模型建立與上文參數(shù)一致。

        3.2 工況加載

        第一步:切面加載法向方向的位移約束,鏈環(huán)接觸位置加載能夠引起材料非線性應(yīng)變的力,此力在實(shí)驗(yàn)階段不宜引入太大,剛好能夠?qū)е滤苄孕巫兗纯?,目前?shí)驗(yàn)引入的力為1400kN。

        第二步:?jiǎn)为?dú)在切面加載法向方向的位移約束,不加載力。

        第三步:切面加載法向方向的位移約束,在鏈環(huán)接觸位置加載工作拉力。

        3.3 結(jié)果顯示

        根據(jù)結(jié)果顯示,第一步完成后,鏈環(huán)內(nèi)圈肩部最大應(yīng)力為1236kN,超過(guò)屈服應(yīng)力,進(jìn)入屈服狀態(tài),且有很大部分材料進(jìn)入塑性;第二步卸載完成后,此位置產(chǎn)生了300MPa左右的殘余應(yīng)力;再加載正常工作拉力后,此位置的應(yīng)力為820MPa。通過(guò)和直接加載工作應(yīng)力的工況相比,此位置應(yīng)力下降了180MPa,說(shuō)明用此種方法減少關(guān)鍵部位的應(yīng)力是可行的(圖4~6)。

        4 最佳預(yù)拉伸量的分析與預(yù)測(cè)

        上述分析,說(shuō)明了對(duì)鏈環(huán)采用預(yù)拉伸的方法降低關(guān)鍵部位應(yīng)力的方法是可行的。但是如果預(yù)拉伸量太小,進(jìn)入屈服狀態(tài)的材料太少,變形量太小,產(chǎn)生的壓應(yīng)力也相對(duì)?。豢墒侨绻A(yù)拉伸量太大,大部分材料均進(jìn)入屈服,彈性材料減少,回彈的力也會(huì)減小。具體預(yù)拉伸的量是多少才能最大的產(chǎn)生最大的效果,需要通過(guò)加載不同的預(yù)拉伸力,進(jìn)行一系列的仿真分析,從而確定最優(yōu)值(表1)。

        表1 不同預(yù)拉量效果

        5 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)上述分析,充分說(shuō)明了通過(guò)材料預(yù)拉伸產(chǎn)生殘余應(yīng)力的方法來(lái)減小工件關(guān)鍵部位應(yīng)力的方法是可行的。通過(guò)目前現(xiàn)有的材料參數(shù),可預(yù)測(cè)礦用高強(qiáng)度48~152鏈環(huán)在上文預(yù)拉伸試驗(yàn)7,即預(yù)拉伸力1500kN,產(chǎn)生預(yù)拉伸量4.2mm(半環(huán)2.1mm)左右,可以達(dá)到最優(yōu)的效果。

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