刮板輸送機啞鈴的疲勞壽命分析

劉楠

摘 要：為了探究刮板輸送機啞鈴易斷裂的問題，本文通過實驗研究與疲勞分析相結合的方式對啞鈴進行力學特性分析；利用ANSYS對啞鈴進行有限元分析，得到應力分布結果；運用啞鈴載荷測試系統對啞鈴的加載實驗研究，得到啞鈴在實際工作中的載荷數據；采用nCode DesignLife對提取危險區域最大等效應力時間歷程進行雨流計數和疲勞壽命分析，得到啞鈴的損傷云圖和壽命循環次數。研究結果表明，啞鈴損壞是從啞鈴頸部應力集中最大區域形成的疲勞開始，當裂紋擴展區擴散到一定程度后到達疲勞斷裂區，使整個啞鈴斷裂，根據刮板輸送機的工作條件得到啞鈴產生裂紋的時間為92d，為啞鈴的結構改進安裝提供設計依據。

關鍵詞：啞鈴 力學性能 載荷譜 疲勞壽命

中圖分類號：TD528 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）08（b）-0034-02

1 刮板輸送機啞鈴力學性能分析

刮板輸送機橫向平移過程中啞鈴的受力非常復雜，拉力大小不僅取決于推移步距、橫向推移阻力的大小，同時還受溜槽長度、槽間水平允許轉角的影響。在推溜過程中，隨著液壓支架的向前推移的距離越大，管板輸送機的彎曲越嚴重，啞鈴所受拉力會逐漸增大，當一段的推移過程完成，拉力將達到最大。刮板輸送機工作期間，啞鈴承受拉力的復雜性還體現在啞鈴的承載區域上。在不同的推溜循環啞鈴與啞鈴座的接觸區域基本上可以分為兩種：一種是啞鈴凸端斜面整體受力凸端斜面上下兩個較小區域內受力；另一種是啞鈴經過多次的現場調研和探討總結發現，兩種接觸區域出現的次數基本符合次數比大約為1/2這樣一個統計規律。

刮板輸送機中部槽之間靠啞鈴連接，允許輸送機沿縱向有一定量的移動，水平和垂直方向有一定量的偏轉。正常采煤作業時，采煤機騎在輸送機上，沿輸送機向一個方向前進割煤，而在其后，輸送機在支架推力作用下向煤壁方向橫向推進一個攘筒截深，即一個推進步距，為采煤機反向割煤做準備。在輸送機橫移過程中，開始由一節中部槽構成小“S”彎，隨后發展擴大到由推移步距和輸送機自身結構確定的一定節數的中部槽構成的大“S”彎，形成彎曲段。

決定輸送機橫向推移彎曲段啞鈴連接受力的因素很多，如溜槽長度、槽間水平允許轉角、推移步距、橫向推移阻力和推溜架型等。當液壓支架推動輸送機至頂點時，作用在彎曲段槽間連接啞鈴和槽幫啞鈴座上的力也達到最大，此時啞鈴受拉。將彎曲段上支架橫向推溜力產生的彎矩和橫向力與阻力產生的彎矩和橫向力疊加，就可以計算出啞鈴的彎矩和橫向力。本文針對啞鈴的工作狀況對啞鈴的受力進行簡化如圖1所示。

2 疲勞壽命分析

疲勞失效是材料局部裂紋萌生、擴展的結果。經典斷裂力學的研究表明，大多數工程材料，尤其是金屬，即使宏觀上處于完全彈性狀態，裂尖前沿局部區域也有屈服現象。近期不銹鋼焊縫金屬的疲勞短裂紋行為研究表明，光滑表面材料的疲勞“有效短裂紋”萌生區域與“主導有效短裂紋”裂尖前沿區域存在更大范圍屈服[1]。因此，從疲勞損傷演化局部性角度，一般工程材料的疲勞失效實質上是局部循環應變累積的結果。本文采用實驗與科學分析結合進行分析，分析啞鈴材料E-N曲線和載荷譜。為避免求解大量的矩陣方程，采用ANSYS對啞鈴進行加載，得出準確的應力分布，使用nCode來最終得到啞鈴疲勞壽命。

將合理簡化后的啞鈴模型導入到ANSYS中進行動態加載，施加動態載荷的平均載荷與對應的約束，得到啞鈴的應力云圖和應變云圖，如圖2、圖3所示。

從圖2中可以看出，啞鈴的兩個內端面拐角處應力最大，啞鈴所受最大應力為，有：

（3）

式中：為最大許用應力，MPa；

為材料屈服應力，MPa；

n為安全系數，這里取n=1.8。

計算可得，啞鈴所受最大應力遠遠小于材料的屈服強度。

從圖3中可以看出啞鈴的最大位移發生在啞鈴的端部，這是因為啞鈴一端固定支承，另一端受力的緣故。

nCode針對壽命分析提供了應力疲勞分析、應變疲勞分析、多軸疲勞分析等多種分析方法[2]。本文采用應變疲勞的分析方法對啞鈴進行分析。使用nCode對零件進行疲勞壽命分析時，需要有限元結果、材料疲勞性能和載荷譜3個外部條件。

由于啞鈴在采煤機不同工況時受到的載荷有較大差異，為了更好地研究啞鈴疲勞壽命，截取一段受力最大的載荷曲線，截取150s的載荷曲線，將已有的載荷曲線導入到nCode的load data中，進行雨流算法轉換，得到雨流柱狀圖。

啞鈴最大損傷點及疲勞壽命最小點的分析結果與應力集中部位基本吻合，最先損傷產生裂紋的部位為啞鈴的頸部。在啞鈴頸部的應力集中最大區域中，最大損傷值為9.98×10-5，啞鈴最小疲勞壽命循環次數為1.113×104次，而其他部位螺紋牙根部的疲勞壽命循環次數大多數在1.52×106次，遠遠大于最大應力點部位的疲勞壽命，根據截取的載荷數據，可換算得到啞鈴的推溜時間大約為463h，刮板輸送機按照每天工作18h，刮板輸送機推溜工況按照每天5h計算，可以得到啞鈴產生裂紋的時間約為92d。

3 結語

通過分析刮板輸送機中部槽的工作狀況，對中部槽啞鈴部分進行力學分析，運用自行研制的啞鈴傳感器測試系統，獲取啞鈴的實時載荷，利用中部槽在推溜工況下的最大工作載荷，研究啞鈴的疲勞壽命，結論如下。

（1）本文分析了中部槽啞鈴的受力情況，實際測試了啞鈴在不同工況下所受的實時載荷，利用平均載荷進行靜力分析得到啞鈴的應力應變數據。

（2）通過對啞鈴應變片微應變數據進行分析，通過擬合得到載荷數據，截取推溜時的載荷曲線導入nCode進行疲勞分析，得出疲勞壽命結果。

（3）啞鈴損壞是從啞鈴頸部應力集中最大區域形成疲勞源開始的，當裂紋擴展區擴散到一定程度后到達疲勞斷裂區，使整個啞鈴斷裂。

參考文獻

[1] 薄興馳，李祥松.刮板輸送機啞鈴銷加載試驗研究[J].煤礦機械，2015（12）：93-94.

[2] 朱秀梅.刮板輸送機關鍵零部件的強度分析及研究[D].遼寧工程技術大學，2006.

[3] 李文軍，姜翎燕，楊保良.啞鈴連接銷的靜態強度與疲勞分析[A].中國煤炭學會.中國科協2005年學術年會第20分會場論文集[C].2005.endprint