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：隨著工業化的持續發展，企業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、輸送和混勻作業于一體，能夠完成堆取合一、連續高效裝卸輸送工作，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，斗輪軸突發失效會造成嚴重的經濟損失，甚至會引發傷亡。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，其生產效率高，操作簡單，非常適用于大大型露天礦連續高效開采作業。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，材料性能參數如下：密度，彈性模量，泊松比。

1.4 劃分網絡

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，需要注意的是網格劃分的質量，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，在一定次數之后，輪軸會出現變形，再加上載荷不斷作用其中，斗輪軸表面會突發形成裂紋，很大程度的降低其承載能力，最終使斗輪軸出現斷裂，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次數有很大的關系，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，與其相對的循環次數為，第h次裂紋擴張速率為：

其中，a為裂紋尺寸；N為應力循環次數；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點數。

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、指數函數和三參數表達式來予以表示。

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、約束形式、基體結構尺寸、支承形式、加工工藝以及贖回環境等等。

（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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