基于HyperWorks軟件的通過預拉伸提高礦用鏈條疲勞壽命的研究

白玉峰，李春飛，姚禮志

（1.中煤張家口煤礦機械有限責任公司；2.河北省高端智能礦山裝備技術創新中心，河北 張家口 076250）

1 前言

近年來，隨著國內外政治經濟形勢的變化，中央再次確定了以煤炭為主的能源格局。煤機企業響應政策，不斷提高礦用裝備技術水平。

礦用高強度鏈條是刮板輸送機的重要零部件。輸送機機頭鏈輪、機尾鏈輪鏈條共同組成了輸送機的運輸系統。鏈條工況惡劣，受力很大，時常出現鏈環斷裂，輸送機停機的現象。

經過從現場照片分析（圖1），失效的部位基本都處于鏈環肩部45°角度處，經過有限元軟件靜力學分析，失效的位置與應力最大處吻合，但問題是，分析顯示此處并未達到材料的破斷極限，甚至都沒有超過材料的屈服極限。

結合鏈條工作條件，其工作過程是鏈條圍繞著機頭和機尾2個鏈輪進行環形運動，故其雖然并未達到斷裂極限，但是由于周期力的作用，材料疲勞亦會造成其失效。從現場失效的鏈環照片觀察，在斷裂端口附近可以發現疲勞裂紋。故此，如何提高鏈環的疲勞壽命成為了首要問題。

提高疲勞壽命首要辦法就是降低關鍵部位的應力，根據應力—疲勞壽命曲線，疲勞壽命和疲勞應力呈反比非線性關系。少許降低應力，可以大幅度提升壽命。由

于圓環鏈的制造工藝是一根鐵棒圍彎形成的，故無法從外形結構上進行降低應力的優化，所以，問題要在制造工藝上解決。

一般認為，疲勞失效和拉應力有關，和壓應力無關。本文提出通過預拉伸工藝增加內部壓應力從而抵抗實際工況下的拉應力的方法。下文將對此進行有限元方法的分析和驗證。

2 鏈環正常工況下的有限元分析

本文采用48-152型圓環鏈進行分析。此鏈環采用材料是23MnNiMoGr54，直徑為48mm的圓棒料制作，截距為152mm。環鏈環在正常工況下，其材料基本不會進入塑性狀態，但是為了驗證的嚴密性，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軟件進行研究。整體模型為單個鏈環的八分之一，采用ton-mm-s-N-MPa單位制。基于HyperWork軟件強大的網格劃分功能，模型采用六面體網格劃分，網格大小為3mm。鏈環材料密度為楊 氏 模 量 是泊 松 比 為0.3，屈服應力1200MPa，應變硬化參數為1000MPa。

2.2 工況加載

由于是對稱分析，在模型的切面上加載法向方向的位移約束，在鏈環接觸的位置加載力。根據GB/T12718《礦用高強度圓環鏈》，此48鏈環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個接觸單元上，邊界處節點加載為面節點的1/2。如圖2所示。

2.3 結果顯示

根據結果所示，整體變形最大部位在鏈環接觸處，為0.7mm，應力最大部位在鏈環的內圈肩膀處，為1000MPa，距離1200MPa的屈服極限還有一定距離（圖3）。

3 鏈環預拉伸及正常工況下的有限元分析

此過程為非線性過程，分為3個步驟，具有先后順序。第一步，給鏈環加載一個比較大的力，此力可導致鏈環應力最大的部位進入非線性變形階段。第二步，給鏈環卸載，此時有一部分材料已經進入非線性變形階段，無法恢復，而線性變形的材料又有回彈至初始狀態的趨勢，此過程會導致線性變形的材料給予非線性變形材料壓應力。第三步，加載正常工況力。此時，鏈環變形首先抵消鏈環內圈肩部的壓應力，壓應力抵消為0后，才會繼續產生拉應力，此時的拉應力小于未經預拉伸之后的拉應力。由于拉應力的減小，根據應力—疲勞壽命曲線，材料的疲勞壽命將會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，鏈環接觸位置加載能夠引起材料非線性應變的力，此力在實驗階段不宜引入太大，剛好能夠導致塑性形變即可，目前實驗引入的力為1400kN。

第二步：單獨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，在鏈環接觸位置加載工作拉力。

3.3 結果顯示

根據結果顯示，第一步完成后，鏈環內圈肩部最大應力為1236kN，超過屈服應力，進入屈服狀態，且有很大部分材料進入塑性；第二步卸載完成后，此位置產生了300MPa左右的殘余應力；再加載正常工作拉力后，此位置的應力為820MPa。通過和直接加載工作應力的工況相比，此位置應力下降了180MPa，說明用此種方法減少關鍵部位的應力是可行的（圖4～6）。

4 最佳預拉伸量的分析與預測

上述分析，說明了對鏈環采用預拉伸的方法降低關鍵部位應力的方法是可行的。但是如果預拉伸量太小，進入屈服狀態的材料太少，變形量太小，產生的壓應力也相對小；可是如果預拉伸量太大，大部分材料均進入屈服，彈性材料減少，回彈的力也會減小。具體預拉伸的量是多少才能最大的產生最大的效果，需要通過加載不同的預拉伸力，進行一系列的仿真分析，從而確定最優值（表1）。

表1 不同預拉量效果

5 結語

通過上述分析，充分說明了通過材料預拉伸產生殘余應力的方法來減小工件關鍵部位應力的方法是可行的。通過目前現有的材料參數，可預測礦用高強度48～152鏈環在上文預拉伸試驗7，即預拉伸力1500kN，產生預拉伸量4.2mm（半環2.1mm）左右，可以達到最優的效果。