基于HyperWorks軟件的通過預(yù)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(jī)械有限責(zé)任公司；2.河北省高端智能礦山裝備技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 張家口 076250）

1 前言

近年來，隨著國內(nèi)外政治經(jīng)濟(jì)形勢(shì)的變化，中央再次確定了以煤炭為主的能源格局。煤機(jī)企業(yè)響應(yīng)政策，不斷提高礦用裝備技術(shù)水平。

礦用高強(qiáng)度鏈條是刮板輸送機(jī)的重要零部件。輸送機(jī)機(jī)頭鏈輪、機(jī)尾鏈輪鏈條共同組成了輸送機(jī)的運(yùn)輸系統(tǒng)。鏈條工況惡劣，受力很大，時(shí)常出現(xiàn)鏈環(huán)斷裂，輸送機(jī)停機(jī)的現(xiàn)象。

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

結(jié)合鏈條工作條件，其工作過程是鏈條圍繞著機(jī)頭和機(jī)尾2個(gè)鏈輪進(jìn)行環(huán)形運(yùn)動(dòng)，故其雖然并未達(dá)到斷裂極限，但是由于周期力的作用，材料疲勞亦會(huì)造成其失效。從現(xiàn)場(chǎng)失效的鏈環(huán)照片觀察，在斷裂端口附近可以發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋。故此，如何提高鏈環(huán)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(guān)鍵部位的應(yīng)力，根據(jù)應(yīng)力—疲勞壽命曲線，疲勞壽命和疲勞應(yīng)力呈反比非線性關(guān)系。少許降低應(yīng)力，可以大幅度提升壽命。由

于圓環(huán)鏈的制造工藝是一根鐵棒圍彎形成的，故無法從外形結(jié)構(gòu)上進(jìn)行降低應(yīng)力的優(yōu)化，所以，問題要在制造工藝上解決。

一般認(rèn)為，疲勞失效和拉應(yīng)力有關(guān)，和壓應(yīng)力無關(guān)。本文提出通過預(yù)拉伸工藝增加內(nèi)部壓應(yīng)力從而抵抗實(shí)際工況下的拉應(yīng)力的方法。下文將對(duì)此進(jìn)行有限元方法的分析和驗(yàn)證。

2 鏈環(huán)正常工況下的有限元分析

本文采用48-152型圓環(huán)鏈進(jìn)行分析。此鏈環(huán)采用材料是23MnNiMoGr54，直徑為48mm的圓棒料制作，截距為152mm。環(huán)鏈環(huán)在正常工況下，其材料基本不會(huì)進(jìn)入塑性狀態(tài)，但是為了驗(yàn)證的嚴(yán)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(jìn)行研究。整體模型為單個(gè)鏈環(huán)的八分之一，采用ton-mm-s-N-MPa單位制。基于HyperWork軟件強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分功能，模型采用六面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為3mm。鏈環(huán)材料密度為楊 氏 模 量 是泊 松 比 為0.3，屈服應(yīng)力1200MPa，應(yīng)變硬化參數(shù)為1000MPa。

2.2 工況加載

由于是對(duì)稱分析，在模型的切面上加載法向方向的位移約束，在鏈環(huán)接觸的位置加載力。根據(jù)GB/T12718《礦用高強(qiáng)度圓環(huán)鏈》，此48鏈環(huán)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(gè)接觸單元上，邊界處節(jié)點(diǎn)加載為面節(jié)點(diǎn)的1/2。如圖2所示。

2.3 結(jié)果顯示

根據(jù)結(jié)果所示，整體變形最大部位在鏈環(huán)接觸處，為0.7mm，應(yīng)力最大部位在鏈環(huán)的內(nèi)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(huán)預(yù)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(gè)步驟，具有先后順序。第一步，給鏈環(huán)加載一個(gè)比較大的力，此力可導(dǎo)致鏈環(huán)應(yīng)力最大的部位進(jìn)入非線性變形階段。第二步，給鏈環(huán)卸載，此時(shí)有一部分材料已經(jīng)進(jìn)入非線性變形階段，無法恢復(fù)，而線性變形的材料又有回彈至初始狀態(tài)的趨勢(shì)，此過程會(huì)導(dǎo)致線性變形的材料給予非線性變形材料壓應(yīng)力。第三步，加載正常工況力。此時(shí)，鏈環(huán)變形首先抵消鏈環(huán)內(nèi)圈肩部的壓應(yīng)力，壓應(yīng)力抵消為0后，才會(huì)繼續(xù)產(chǎn)生拉應(yīng)力，此時(shí)的拉應(yīng)力小于未經(jīng)預(yù)拉伸之后的拉應(yīng)力。由于拉應(yīng)力的減小，根據(jù)應(yīng)力—疲勞壽命曲線，材料的疲勞壽命將會(huì)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(shù)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(huán)接觸位置加載能夠引起材料非線性應(yīng)變的力，此力在實(shí)驗(yàn)階段不宜引入太大，剛好能夠?qū)е滤苄孕巫兗纯桑壳皩?shí)驗(yàn)引入的力為1400kN。

第二步：單獨(dú)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(huán)接觸位置加載工作拉力。

3.3 結(jié)果顯示

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

4 最佳預(yù)拉伸量的分析與預(yù)測(cè)

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

表1 不同預(yù)拉量效果

5 結(jié)語

通過上述分析，充分說明了通過材料預(yù)拉伸產(chǎn)生殘余應(yīng)力的方法來減小工件關(guān)鍵部位應(yīng)力的方法是可行的。通過目前現(xiàn)有的材料參數(shù)，可預(yù)測(cè)礦用高強(qiáng)度48～152鏈環(huán)在上文預(yù)拉伸試驗(yàn)7，即預(yù)拉伸力1500kN，產(chǎn)生預(yù)拉伸量4.2mm（半環(huán)2.1mm）左右，可以達(dá)到最優(yōu)的效果。