斗輪堆取料機斗輪體有限元分析及疲勞壽命預測

楊亮

摘 要：隨著工業(yè)化的持續(xù)發(fā)展，企業(yè)對散狀物料裝罐設備的需求逐漸加大，集斗輪堆取料機及物料堆取、輸送和混勻作業(yè)于一體，能夠完成堆取合一、連續(xù)高效裝卸輸送工作，一方面提高了工作效率，另一方面還有效地降低了成本。不過，斗輪軸突發(fā)失效會造成嚴重的經(jīng)濟損失，甚至會引發(fā)傷亡。該文對建立的斗輪體三維模型進行有限元分析，對斗輪軸進行疲勞壽命預測，并提高改善方法，以便能夠提高斗輪軸的使用用命。

關鍵詞：斗輪堆取料機 斗輪軸 斗輪體 有限元分析 疲勞壽命

中圖分類號：TH246 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）02（a）-0245-01

斗輪堆取料機也稱為斗輪機，其生產(chǎn)效率高，操作簡單，非常適用于大大型露天礦連續(xù)高效開采作業(yè)。該文對建立的斗輪體三維模型進行有限元分析，對斗輪軸進行疲勞壽命預測，并提高改善方法，以便能夠提高斗輪軸的使用用命。

1 斗輪堆取料機斗輪體有限元分析

在工程設計中，往往以剛性梁單元來描述鏟斗的開頭和受力特征，從而方便對鏟斗斗唇斗底的挖取力施加。

1.1 模型在有限元軟件中的計算原則及理論基礎

鏟斗的厚度不高，插入阻力和挖取阻力沿鏟斗百度方向不會造成影響，可以將鏟斗受力模型簡化為受均布載荷的簡支梁，鏟斗在推壓阻力以及重力的雙重影響下會出現(xiàn)變形，將鏟斗半背的形狀設為平面；在力的作用下，變形不超過鏟斗的幾何形狀尺寸。

1.2 模型導入

在SolidWorks軟件中建立斗的輪裝配體導入到Ansys軟件，可以采用很多種方法，比較常見的是IGES、parasolid等格式。該文選用Workbench12.0無疑鏈接的方法。

1.3 參數(shù)設定

設置類型、定義材料屬性，斗輪體材料為45鋼，材料性能參數(shù)如下：密度，彈性模量，泊松比。

1.4 劃分網(wǎng)絡

把實體模型予以離散，通過有限的小單元求解值近似代替實體計算值，需要注意的是網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，否則會對結果造成影響。

1.5 施加載荷、設定約束條件

做出位移邊界條件的確定，之后施加載荷和約束。不同的挖取階段所受力的情況也隨著發(fā)生變化，分別取兩個工況對其受力模型予以簡化，挖取阻力、推壓取力以及物料重力全部為線性均布載荷。

1.6 仿真結果

斗輪實際挖取物料的靜力分析結果圖1所示，是鏟斗插入階段的受力狀況圖，在不同工況、斗輪形狀相同的條件下，斗輪體上應力的集中位置在插入階段有不同的變化。

2 斗輪軸疲勞分析

2.1 斗輪軸疲勞失效機制

斗輪體的扭矩、推力等變化載荷傳遞作用于斗輪軸，并反復作用其中，在一定次數(shù)之后，輪軸會出現(xiàn)變形，再加上載荷不斷作用其中，斗輪軸表面會突發(fā)形成裂紋，很大程度的降低其承載能力，最終使斗輪軸出現(xiàn)斷裂，造成斗輪軸失效。由于斗輪軸疲勞失效是一個逐漸延長伸展的過程，在裂紋萌生階段無法用肉眼看到。有資料顯示，裂紋和延長伸展速率與線裂紋尺寸和循環(huán)次數(shù)有很大的關系，假設臨界損傷值，當材料平均損傷值達為D0時，裂紋尖點向前擴張D1，與其相對的循環(huán)次數(shù)為，第h次裂紋擴張速率為：

其中，a為裂紋尺寸；N為應力循環(huán)次數(shù)；Dl為裂紋尖點向前延長伸展尺寸；n為疲勞延長伸展裂紋擴張方向上節(jié)點數(shù)。

2.2 疲勞損傷表征

通常情況下，評價材料疲勞性能用S-N曲線來描述，測試材料疲勞性能的樣品選擇為相對較小同時沒有出現(xiàn)裂紋的光滑圓柱。應力比的計算為：。應力與壽命的曲線關系可以通過冥函數(shù)、指數(shù)函數(shù)和三參數(shù)表達式來予以表示。

2.3 斗輪軸疲勞強度分析

在SolidWorks建立的斗輪軸實體模型，并模擬斗輪軸挖取物料受力最大工況，在斗輪軸安裝軸承處設定約束，進行網(wǎng)絡劃分，計算出斗輪軸應力分布圖，可知靠近斗輪輪休側安裝軸承處輪軸的強度最大。在預告規(guī)定的應力下，應力范圍越小，斗輪軸的使用壽命越長，如果交變應力值接近200MPa時，斗輪軸不會出現(xiàn)破裂，壽命接近于無限長。

3 結果分析及改善

斗輪軸造成疲勞斷裂影響的因素有多種。比如載荷性質(zhì)、約束形式、基體結構尺寸、支承形式、加工工藝以及贖回環(huán)境等等。

（1）斗輪軸疲勞磨損程度與基體的各因素相關，基體尺寸越小磨損程度越低。

（2）斗輪軸加粗，或者對其薄弱的一面給予修復，能夠有提升輪軸的抗疲勞損傷效應。

（3）可以采用Q235-A鋼來代替45鋼，斗輪軸的最大應力值為59.12MPa，比材料的屈服力小3倍多，進而也可以提升抗疲勞操作強度。

（4）可以將斗輪體減速器分別布置在軸承的外側。此種方式的斗輪體一側不會受到任何束縛，促進最佳切水果角的形成，非常適用于采掘具有傾斜邊坡料堆。

參考文獻

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