大型鏈篦床小軸的分析與優化

田國富，高峰

大型鏈篦床小軸的分析與優化

田國富，高峰

(沈陽工業大學機械工程學院，遼寧沈陽110870)

小軸是鏈篦床的關鍵零件之一，在工作時要承受非常大的工作載荷。為了保證小軸保證有較高的強度和避免工作時的失效問題，從小軸材質和結構兩方面進行可靠性分析。根據小軸材質的化學成分確定了其所屬合金類型，探究了該類型合金的力學性能并進行材質的重新選擇;對小軸不同受載類型下的應力應變進行有限元仿真分析，并匯總分析力－變仿真數據，提供理論參考指導。提出了改進方案－篦板自動復位裝置，有效保證了設備的質量。

小軸失效;材料性能;結構;應力;位移

0 前言

小軸是鏈篦床的關鍵零件之一，用于連接篦板、鏈節，其工作性能直接影響整體設備的正常運行和使用安全。小軸彎曲變形和膨脹伸長在鏈篦床中是常見的問題，通常會引起一系列的并發故障，如篦板卡死，小軸不能套在鏈輪齒上，多鏈運行不同步，受力不均;而小軸斷裂會使整個傳動系統停機，甚至全面停產。

1 小軸的失效分析

觀察失效的小軸時發現:小軸與小軸軸孔側發生蠕變變形錯位，蠕變變形量在篦床兩側小軸處最大，變形方向與篦床運行方向平行，在軸孔處有明顯磨損;小軸中間部位發生拱起彎曲變形。

造成小軸失效的原因有兩方面:一方面是因為制造小軸所用的材料性能不滿足實際的使用要求;另一方面，主要是由于小軸受力不均引起的，例如輸送帶跑偏使得小軸端部和側板將會與側密封裝置產生很大的摩擦力，使小軸產生彎曲。

2 小軸的材料分析

2.1 材料成分分析

在小軸上取樣進行化學成分測試，結果見表1。根據測試結果查閱標準GB/T 3077-1988，該樣品類型對應鋼種為20CrMo或25CrMo。該鋼種的熱強性較高，淬透性較好，無回火脆性，冷應變塑性，可加工性及焊接性均良好。該鋼種中Cr、Ni含量極低，其高溫強度、抗氧化性和耐腐蝕性差，易發生蠕變變形，所以該小軸樣品材質并不能滿足工作要求。

表1 小軸材料的化學成分(質量分數%)Tab.1Chemical constituents of tiny axle

2.2 材料硬度檢測

切取試樣對小軸材料進行硬度檢測，按照GB/T3299－1991，GB/T231.1－2009硬度試驗的要求，用直徑為5 mm的硬質合金球在750 kN的條件下進行測試。結果表明，該材料的布氏硬度約為224 HB，而20CrMo鋼的標準布氏硬度為197 HB，說明材料在使用中出現了硬化現象。

2.3 小軸材料改進

根據工況條件，可選擇耐熱鋼2Cr20制作備件。耐熱鋼2Cr20的間歇服役為735℃，連續服役為620℃。始終處于交變工況下工作，應按間歇服役選擇材質。2Cr20淬火(920～980℃油冷)狀態下硬度高，耐蝕性良好，并添加6%左右的Ni，起到固溶強化和彌散強化作用，提高高溫抗蠕變能力;加入2%左右的Si，提高耐熱鋼的抗氧化性能和抗硫化性能;加入1%左右N，提高合金的高溫強度;加入9%左右的Mn，用來提高小軸的組織穩定性、高溫強度和耐磨性，因此新材質為2Cr20 Mn9Ni6Si2N。

根據《高溫金屬材料的性能、強度設計及工和應用》，2Cr20在760℃的極限應力為462 MPa，安全系數取1.5，則許用應力為308 MPa，能滿足小軸的強度要求，增加的成份使小軸高溫強度再次提高，因此，采用新材料制作小軸能滿足高溫工作強度要求。具體計算過程詳見文獻［3］。

3.2 小軸有限元分析

小軸的長度2904 mm，直徑為Φ38 mm，兩鏈間隔894 mm，并排放著2塊篦板，一根軸上總共有3條鏈節，6塊篦板相連。如圖1所示為小軸、鏈節、篦板的局部裝配圖。

圖1 小軸、鏈節、篦板的局部裝配圖Fig.1Part assembly drawing of tiny axle，chain link，grid plate

材料2Cr20Mn9Ni6Si2N的彈性模量E為212 GPa，泊松比μ為0.23，密度為7.73 g/cm3，抗拉強度為630 MPa。對小軸進行有限元分析:采用Solid185單元劃分自由網格，每單元有8個節點，每節點有3個自由度，每個網格大小為0.005 m，其網模型如圖2所示。

3 小軸的結構分析

3.1 小軸受力計算

在忽略無關因素下，一根小軸在正常工作時，連接4條鏈，小軸所受的力主要受到前后兩節鏈節的拉力，所受約束為全約束。

小軸受牽引鏈的總張力約為620 024.4 N，

圖2 小軸有限元網格劃分模型Fig.2Finite element mesh model of tiny axle

根據實際工況，小軸與鏈節的配合受力主要分為4種狀態:①4個鏈節配合處均受力;②1號、2號鏈節配合處受力;③1號、3號鏈節配合處受力;④1號、4號鏈節配合處受力。

(1)4個鏈節配合處均受力狀態。1、2、3、4表示鏈節所在位置，圖3所示為約束與載荷位置。利用ANSYS軟件求解，圖4、圖5分別為小軸的等效應力云圖和變形云圖，可知最大等效應力為237 MPa，最大變形量為0.046 7 mm。

圖3 小軸全約束下有限元載荷模型Fig.3Finite element load model of tiny axle under fully constrained

圖4 小軸全約束下等效應力云圖Fig.4Equivalent stress contour of tiny axle under fully constrained

圖5 小軸全約束下變形云圖Fig.5Equivalent strain contour of tiny axle under fully constrained

(2)小軸與1號、2號鏈節配合處受力狀態。此時，1號、2號鏈節受力分別為620024/2= 310012 N，圖6所示為約束位置及載荷加載位置。利用ANSYS軟件求解，圖7、圖8分別為此時的等效應力云圖和變形云圖，可知最大應力為474 MPa，最大變形量為0.901 mm。

圖6 小軸僅1、2號鏈節處受載荷圖Fig.6Load diagram of tiny axle while chain link 1＆2 under load only

圖71 、2號鏈節受載下的小軸等效應力云圖Fig.7Stress contour of tiny axle while link 1＆2 under load only

圖81 、2號鏈節受載下的小軸變形圖Fig.8Strain contour of tiny axle while link 1＆2 under load only

(3)小軸與1號、3號鏈節配合處受力。此時狀態與狀態②相似，利用ANSYS軟件求解，圖9、圖10分別為此時狀態下的等效應力云圖和變形云圖，可知最大等效應力為474 MPa，最大變形量為0.509 mm。

圖91 、3號鏈節受載下的小軸等效應力云圖Fig.9Stress contour of tiny axle while link 1＆3 under load only

(4)小軸與1號、4號鏈節配合處受力狀態。此時狀態與狀態②相似，用ANSYS軟件求解，圖11、圖12分別為此時狀態下下的等效應力圖和變形云圖，可知最大等效應力為474 MPa，最大變形量為0.293 mm。

圖111 、4號鏈節受載下的小軸效應力云圖Fig.11Stress contour of tiny axle while link 1＆4 under load only

圖121 、4號鏈節受載下的小軸變形圖Fig.12Stress contour of tiny axle while link 1＆4 under load only

3.3 數據匯總分析

將4種受力狀態下的有限元仿真分析數據見表3。

表2 小軸不同加載狀態下的應力－應變數據Tab.2Stress-strain data of tiny axle under different loading conditions

經分析可知:在不完全約束的狀態下，即狀態②～④這3種狀態下的小軸受最大等效應力相同，但是變形量不同;第2種受力狀態下的小軸變形最大，第④種狀態下的變形量較小;第①種狀態下的小軸所受等效應力和變形量都最小。由此可知，小軸在狀態①下工作對整體設備最為有利。

3.4 改進方案

為了防止小軸因高溫物料堆積而引起局部高溫或布料不均，從而引起變形失效，在鏈篦機機尾設計了一篦板自動復位裝置，能使未復位的篦板自動回位，結構如圖13所示。自動復位裝置主要由滾輪1、支架2、底座3、鋼絲軟繩4共同構成。在連續運行的鏈篦床上，未自然復位的篦板經過滾輪時，滾輪的重力與鏈篦機的驅動力對未復位的篦板產生壓迫，強制篦板復位。

圖13 篦板自動復位裝置Fig.13Grid plate automatic runback device

4 結論

對小軸的材料化學成分分析，證明原材料的缺陷，選取新材料2Cr20Mn9Ni6Si2N;通過對新材料小軸的4種狀態進行有限元分析，探究了小軸的結構性能，對發現的問題提出改進方案，即篦板自動復位裝置，實踐證明效果良好，降低了經濟損失。

［1］高耀東，劉學杰，何建霞．ANSYS機械工程應用精華50例［M］．北京:電子工業出版社，2011．

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［5］姚天祥，王程．淺析鏈篦機篦床跑偏原因及解決方法［J］．中國新技術新產品，2013(10):188．

［6］張西良，萬學功，楊偉玲，等．鏈篦機傳動系統多目標優化設計［J］．燒結球團，2007(01):5－9．

［7］田國富，陳金銘．鏈篦機頭輪軸的分析與優化［J］．重型機械，2014(06):70－73．

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［10］田國富，高峰，陳金銘．大型鏈篦床鏈節的分析與優化［J］．重型機械，2016(05):65－69．

Analysis and optimization of the tiny axle of large grate

TIAN Guo-fu，GAO Feng
(Shenyang University of Technology School of Mechanical Engineering，Shenyang 110870，China)

The tiny axle is one of the key parts of the grate and always undertake heavy load in processing．In order to guarantee its strong strength and avoid its failure，its material property and structure were analyzed，and the alloy type was determined according to its mechanical ingredient，and its stress property was explored and the material was selected again．The stress and strain under different kinds of loads were simulated and analyzed by finite element model，the simulation data were collected and analyzed，which provided effective reference basis for practical structure improvement of tiny axle．Meanwhile grid plate automatic runback device，as an improvement scheme，was proposed，which are verified in practice．

tiny axle failure;material property;structure;stress;strain

TF046

A

1001－196X(2017)01－0079－05

2015－11－20;

2016－02－29

沈陽市科技創新專項資金-工業科技攻關項目(F15-040-2-00)

田國富(1968－)男，漢族，博士，教授，研究領域: CAD/CAE技術，數控技術與裝備等。