刮板輸送機(jī)鏈輪疲勞壽命分析

馮金水，李建華

（山西煤礦機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西 太原 030031）

刮板輸送機(jī)鏈輪疲勞壽命分析

馮金水，李建華

（山西煤礦機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西 太原 030031）

運(yùn)用有限元分析軟件U G，對(duì)刮板輸送機(jī)的重要部件鏈輪進(jìn)行疲勞壽命分析，得到了疲勞安全因數(shù)和啟動(dòng)10s內(nèi)的應(yīng)力應(yīng)變圖。其分析結(jié)果為刮板輸送機(jī)的可靠性工程質(zhì)量分析提供了理論基礎(chǔ)。

鏈輪；U G有限元；疲勞壽命分析

刮板輸送機(jī)鏈輪是傳動(dòng)系統(tǒng)中重要的機(jī)械部件，由于井下工作條件惡劣，設(shè)備更換維修困難，因而，可靠性對(duì)于刮板輸送機(jī)的使用具有重要意義。基于結(jié)構(gòu)裂紋損傷積累原理進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，可以根據(jù)材料的S-N曲線(xiàn)圖或E-N曲線(xiàn)來(lái)估計(jì)該零件的疲勞壽命。

應(yīng)力安全因子(S Tr e s s S a Fe Ty Fa c To r，S S F)，是用于衡量零件的總體強(qiáng)度，由應(yīng)力準(zhǔn)則除以某一應(yīng)力類(lèi)型的有效值計(jì)算得到（標(biāo)量）。有效應(yīng)力選用V o n-M i s e s類(lèi)型。疲勞安全因子（Fa Ti g u eS a Fe Ty Fa c To r，F(xiàn)S F）由疲勞應(yīng)力準(zhǔn)則除以應(yīng)力幅值得到（標(biāo)量）。

1 鏈輪有限元模型的建立

見(jiàn)圖1和表1。實(shí)體模型采用U G軟件，鏈輪參數(shù)如下：鏈輪齒數(shù)N=7；鏈環(huán)公稱(chēng)直徑d=48；圓環(huán)鏈公稱(chēng)節(jié)距p=152；取鏈環(huán)48×152；鏈輪輪軸直徑R。所以：

（1）節(jié)圓直徑：

（2）頂圓直徑：

D11=D0+2d=784.

（3）鏈輪中心至鏈窩底平面高度：

圖1 三維實(shí)體模型

表1 鏈輪材料參數(shù)

見(jiàn)圖2。使用N X_n a s Tr a n進(jìn)行網(wǎng)格劃分，類(lèi)型3D，C TE TR A(4)，單元大小38.2m m，劃分規(guī)則以軸對(duì)稱(chēng)為主，必要時(shí)對(duì)鏈輪進(jìn)行分組，然后進(jìn)行單元點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，否則分析結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有較大誤差。單元節(jié)點(diǎn)總數(shù)為3851，四面體單元數(shù)為13667。

2 有限元分析

鏈輪所承受載荷作用的應(yīng)力為S，零件強(qiáng)度為δ，且概率密度函數(shù)分別為f(S)和g(δ).失效概率為

圖2 網(wǎng)格劃分

利用E d g w o r Th級(jí)數(shù)展開(kāi)式，得到機(jī)械零件強(qiáng)度失

效概率近似計(jì)算表達(dá)式

運(yùn)用威布爾分布，概率分布函數(shù)為

均值、標(biāo)準(zhǔn)差、偏度和峰度分別為

3 加載約束及載荷分析

3.1 載荷分析

重力，y軸負(fù)方向，9810m m·s e c^2。離心角速度280°/s e c，鏈輪載荷分析數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。

3.2 約束

對(duì)鏈輪花鍵連接處，施加約束。

3.3 解算

應(yīng)力、應(yīng)變、結(jié)構(gòu)疲勞、疲勞因子分布如圖3～圖7和表3所示。

4 額定壽命與工況條件下有限元分析差異

表2 鏈輪載荷 /k N

圖3 應(yīng)力圖

圖4 應(yīng)變圖

圖5 結(jié)構(gòu)疲勞位置

圖6 疲勞因子分布

圖7 發(fā)生疲勞位置圖

表3 疲勞壽命最低的20個(gè)點(diǎn)疲勞安全因子及位置

刮板輸送機(jī)鏈輪設(shè)計(jì)過(guò)煤量為6M t，換算成鏈輪應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為8000000次。

模型有限元分析疲勞安全因子隨循環(huán)次數(shù)變化，見(jiàn)圖8。

圖8 疲勞安全因子隨循環(huán)次數(shù)變化

誤差及其分析原因有1）約束，扭矩之間對(duì)應(yīng)關(guān)系設(shè)定存在誤差；2）網(wǎng)格劃分分析結(jié)果可靠性為85.752%；3）實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，鏈輪鏈窩處受力出現(xiàn)峰值(實(shí)際生產(chǎn)發(fā)生過(guò)載)。

5 結(jié)論

通過(guò)基于U G的有限元疲勞壽命分析結(jié)果可以看出，鏈輪的鏈窩處將發(fā)生應(yīng)力集中及疲勞破壞，其可靠性疲勞壽命分析結(jié)果與實(shí)際有較好的一致性，可以用于現(xiàn)場(chǎng)的鏈輪壽命估算。

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［5］ 耿魯怡.U G結(jié)構(gòu)分析培訓(xùn)教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005，229-234.

Fatigue Life Analysis on Sprockets oFScraper Conveyor

FEN Jin-shui,LI Jian-hua

（Shanxi Coal Mining Machinery Manufacture Co., LTD, Taiyuan Shanxi 030031）

Finite element analysis software UG was used in fatigue life study on sprockets of scraper conveyor. The fatigue safety factor and stress-strain diagram in 10 seconds of start-up were achieved, which laid the foundation for quality analysis on the reliability engineering of the scraper conveyor.

sprocket; UG finite element; fatigue life analysis

TD 822+.3

A

1672-5050（2011）10-0042-03

2011-09-19

馮金水（1950—），男，山西高平人，碩士，高級(jí)工程師，從事煤礦機(jī)械的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)工作。

劉新光