隨機動載荷下掘進機鎬形截齒的疲勞壽命預測

曾慶良,王新超,王汝汝

(1.山東科技大學機械電子工程學院,山東 青島 266590; 2.兗礦集團陜西未來能源化工有限公司金雞灘煤礦,陜西 榆林 719000)

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隨機動載荷下掘進機鎬形截齒的疲勞壽命預測

曾慶良1,王新超1,王汝汝2

(1.山東科技大學機械電子工程學院,山東 青島 266590; 2.兗礦集團陜西未來能源化工有限公司金雞灘煤礦,陜西 榆林 719000)

為了縮短掘進機的停機時間,確保其在截割過程中的穩(wěn)定性和可靠性,以復雜煤層條件下掘進機的鎬形截齒為研究對象,基于MATLAB軟件對其所受的隨機載荷進行模擬.提取載荷最大值加載到有限元分析軟件中,對截齒進行靜力學強度分析,根據得到的位移云圖和應力云圖確定其危險位置; 基于靜力學分析結果,采用Hypermesh軟件中的疲勞模塊對隨機動載荷作用下的鎬形截齒進行疲勞壽命預測.結果表明其強度和疲勞壽命滿足使用要求，具有較高的指導作用和實用價值.

掘進機; 鎬形截齒; 隨機動載荷; 疲勞壽命

鎬形截齒在掘進機截割煤巖體的過程中常受到沖擊載荷的作用,此外,由于截齒的安裝方式、結構參數以及掘進機的工作環(huán)境等原因,導致鎬形截齒在實際使用過程中常發(fā)生磨損、丟失、崩刃、斷裂以及合金頭脫落等現象,嚴重影響掘進機的工作穩(wěn)定性、可靠性以及生產效率.傳統(tǒng)鎬形截齒的設計準則以強度和剛度校核為主,未考慮疲勞破壞的影響,這就使得截齒在使用過程中,出現在剛度和強度滿足使用條件的情況下發(fā)生疲勞失效的現象.

因此,在對鎬形截齒進行靜力學強度分析的基礎上,驗證其疲勞壽命是否達到使用要求,是其滿足工作可靠性和提高整機工作穩(wěn)定性的重要保證.本文針對掘進機在采掘復雜煤層過程中的具體工況,以鎬形截齒為研究對象,對其所受載荷進行模擬,基于有限元軟件對其進行靜力學強度分析,并根據分析結果,在隨機動載荷條件下對其危險部位進行疲勞壽命驗證,從而對鎬形截齒的整體使用性能進行驗證.

1 鎬形截齒力學模型

鎬形截齒以一定的角度安裝在截割頭上,基于截割頭動能作用,與煤巖體進行直接接觸并對其進行截割破碎.在破碎復雜條件下的煤巖體過程中,由于煤巖分布的不均勻性、截割速度和切屑厚度的瞬變性以及截齒空間位置的不斷變化等原因,導致鎬形截齒所受載荷具有一定的隨機性和突變性,為了更好地模擬鎬形截齒的受載情況,根據相關研究成果[1-3],運用隨機理論和概率論理論,構建鎬形截齒隨機動載荷的數學模型:

隨機截割阻力Z[n]:

(1)

隨機進給阻力Y[n]:

(2)

隨機側向力X[n]:

(3)

式中:n為隨機載荷序列模擬點數;Zav,Yav,Xav為鎬形截齒所受三向力的平均值;kz[n],ky[n],kx[n]為三向力的隨機數序列;σz,σy,σx為三向力在相應分布形式下的均方差; C為截割復雜煤層時作用在鎬形截齒上載荷的修正系數.

利用MALAB軟件編制鎬形截齒截割復雜煤層過程中的載荷模擬程序,并進行模擬.結果表明,鎬形截齒的隨機截割阻力和進給阻力滿足Gamma分布,隨機側向力滿足正態(tài)分布,與目前所取得的研究成果比較接近[4-5],能夠較為真實反映鎬形截齒截割復雜煤層的實際工況.

2 鎬形截齒的靜力學強度分析

2.1 鎬形截齒有限元模型的建立

Hypermesh軟件功能強大,特別適合各種模型的網格劃分和有限元分析,但其三維建模能力較弱,建模步驟繁瑣,故可以通過導入Solidworks、IGES、Pro/E、STEP以及Parasolid等格式的數據文件完成鎬形截齒有限元模型的建立[6].根據仿真精度和速度的要求,對有限元模型進行一定的幾何處理和結構簡化,設定鎬形截齒刀頭和刀桿的材料參數和性能,采用四面體單元,分別對刀頭和刀桿進行網格劃分,并檢查網格質量,最終建立的鎬形截齒有限元模型如圖1所示.

2.2 約束和載荷的確定

在截割煤巖體的過程中,鎬形截齒理論上能夠實現繞自身軸線轉動的功能,但在實際工作中由于截齒變形、齒座堵塞以及銹蝕等原因是不發(fā)生轉動的.因此,本文以全約束條件下的鎬形截齒為研究對象,對截齒刀桿與齒座裝配部分施加徑向約束和3個轉動約束,對截齒大徑端面與齒座接觸部分施加軸向約束,從而實現對鎬形截齒6個自由度的全約束.

圖1 掘進機鎬形截齒有限元模型

基于MATLAB軟件編制的載荷模擬程序,以十周期載荷數據為樣本,從中選擇三向力最大值作為鎬形截齒的最危險工況,即截割阻力Z為45.280 kN,進給阻力Y為24.181 kN和側向力X為10.839 kN,施加到鎬形截齒有限元模型上.由于鎬形截齒的截割過程具有很大的隨機性,導致刀頭上所承受的載荷分布具有不均勻性,因此,用集中載荷代替分布載荷對截齒刀頭進行加載[7],并且加載到距離齒尖7 mm(截齒刀頭長度的一半)范圍內的全部節(jié)點上.

2.3 靜力學強度分析

采用Hypermesh軟件中的RADIOSS求解器,對最危險工況下(即所承受三向力最大)的鎬形截齒進行靜力學強度分析,研究其在截割過程中的位移與應力情況,分析結果如圖2所示.

鎬形截齒在最危險工況下,截齒刀頭處的變形最大,最大位移為0.141 mm,符合實際情況,與截齒的結構尺寸相比,變形較小,滿足截齒的剛度要求.截齒刀頭材料為碳化鎢-鈷硬質合金,其在危險工況下的應力最大,可以達到797 MPa,小于刀頭材料的許用應力[σ]=950 MPa,表明截齒刀頭滿足強度條件; 截齒刀桿材料為42CrMo,其最大應力出現在刀桿與刀頭相接處,為300 MPa,小于刀桿材料的許用應力[σ]=310 MPa,表明截齒刀桿滿足強度條件; 總的來說,鎬形截齒在截割復雜煤層時,其強度滿足使用要求.

3 鎬形截齒的疲勞壽命預測

零件發(fā)生疲勞破壞的部位一般都有應力集中的現象[8],為了對隨機動態(tài)載荷作用下的鎬形截齒的疲勞壽命進行預測,根據靜力學強度分析的結果,采用Hypermesh軟件中的Fatigue Process Manager模塊,對鎬形截齒的疲勞壽命進行分析計算.本文基于名義應力法,通過對截齒的載荷譜進行雨流處理,選擇GOODMAN法對平均應力進行修正,綜合考慮疲勞強度系數、應力組合方法等因素,以線性疲勞累積損傷理論為基礎,對截割復雜煤層下鎬形截齒的疲勞壽命進行預測.

圖2 分析結果

3.1 鎬形截齒的S-N曲線

材料的S-N曲線反映了材料處于不同應力水平下的疲勞壽命情況,一般通過試驗的方式得到[9].考慮到試驗結果的離散性,使得材料S-N曲線有多條,這主要與存活率P有關,因此在進行疲勞壽命分析時最好選擇較高存活率所對應的疲勞壽命曲線P-S-N.本文采用存活率為90%的材料S-N曲線.考慮到鎬形截齒刀頭材料具有很好的強度性能和耐磨性能,刀頭發(fā)生疲勞失效的幾率很小,因此本文構建了截齒刀桿的S-N曲線,對截齒刀桿進行疲勞壽命預測,用以反映鎬形截齒的整體壽命.

3.2 疲勞壽命預測

通過設定截齒刀桿材料的性能參數、疲勞壽命參數和所選存活率對應的P-S-N曲線,根據名義應力法,基于線性疲勞累計損傷理論,將經過雨流處理的疲勞載荷譜加載到鎬形截齒上,對其進行疲勞壽命預測,結果如圖3所示.

圖3 疲勞壽命分析結果

由圖3可知,鎬形截齒疲勞壽命最小為1.87×105次載荷加載循環(huán),發(fā)生在截齒刀頭與刀桿的相接處,與靜力學分析中刀桿最大應力的發(fā)生部位相對應,符合實際情況.刀桿中部也有發(fā)生疲勞破壞的趨勢,但其壽命較長,可以不考慮其影響; 最大疲勞累積損傷發(fā)生在截齒刀桿與刀頭相接處,即疲勞壽命最小處,最大累積損傷僅為1.01×10-4,遠小于1,因此,刀桿滿足疲勞強度要求.

由于疲勞載荷譜為10個周期的模擬載荷,掘進機截割頭旋轉速度為46 r·min-1,因此,鎬形截齒的使用壽命N為

即該鎬形截齒在復雜煤層截割條件下的理論使用壽命可以達到28.23 d,研究表明,新截齒投入生產后使用壽命一般為8～35 h[10],因此,該鎬形截齒的使用壽命滿足要求.

4 結論

運用有限元分析軟件Hypermesh,完成了鎬形截齒在最大載荷作用下的靜力學強度分析,得到了截齒的變形圖、位移云圖和應力云圖,并根據強度分析結果,基于隨機動載荷,對鎬形截齒進行了疲勞壽命預測.結論如下:

(1) 靜力學分析結果表明,鎬形截齒的刀頭部分和刀桿與刀頭相接處的應力較大,但都小于對應材料的許用應力,鎬形截齒整體滿足強度要求.其中,鎬形截齒刀頭和刀桿相接處為截齒的最危險部位.

(2) 由鎬形截齒的位移云圖可知,截齒刀頭部分的變形位移最大,符合實際情況.

(3) 疲勞壽命預測結果表明:鎬形截齒的理論使用壽命可達28.23 d,刀頭與刀桿相接處的疲勞壽命最小,疲勞累積損傷最大,但損傷程度遠小于1,表明該鎬形截齒滿足疲勞強度要求.

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Fatigue life prediction on pick cutter of roadheader under stochastic dynamic loading

ZENG Qing-liang1,WANG Xin-chao1,WANG Ru-ru2

(1.College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266590, China;2.Jin Jitan Coal, Shaanxi Future Energy Chemical Co., Ltd, Yu Lin 719000, China)

In order to reduce the idle of boring machine and ensure the stability and reliability during cutting process, the pick cutter of roadheader under complicated seam conditions is conducted.By using MatlabTM for random loading detection, the finite element analysis is applied to analyze the static strength under the maximum loading.According to the displacement and stress clouds of pick cutter, the risk position is determined.Based on static analysis, the fatigue process manager module in HypermeshTM is employed for fatigue life prediction.Owing that the strength and fatigue life meet the requirements, this approach possesses high guidance and practical value.

roadheader; pick cutter; stochastic dynamic loading; fatigue analysis

國家自然科學基金項目(51375282); 長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃(IRT1266); 泰山學者建設工程專項經費資助項目(201309)

曾慶良(1965-),男,教授,博士生導師.E-maill:18754277910@163.com.

TD 421

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1672-5581(2016)03-0259-04