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哑铃连接销的静态强度与疲劳分析
发布时间：2013-06-05 07:47 来源：未知
工作面刮板输送机中部槽间的哑铃连接销（以下简称哑铃），在输送机移动过程中要承受巨大的拉力，它的断裂将直接影响到工作面的正常生产，因此，哑铃的设计计算一直是刮板输送机设计的关键。以前我们只是通过理论分析及公式计算来获得设计依据，本文运用PTC公司的PRO/ENGINEER(以下简写为PRO/E)�？榻⒀屏宓氖堤迥Ｐ�，并根据哑铃在工作面输送机实际运行中的受力情况，运用PRO/MECHANICA(以下简写为PRO/M)�？槎匝屏褰星慷�、疲劳及变形量的分析研究，从而获得更直观准确的分析结果。
一、哑铃的受力分析
刮板输送机中部槽之间靠哑铃连接，允许输送机沿纵向有一定量的移动，水平和垂直方向有一定量的偏转。正常采煤作业时，采煤机骑在输送机上，沿输送机向一个方向前进割煤，而在其后，输送机在支架推力作用下向煤壁方向横向推进一个滚筒截深，即一个推进步距，为采煤机反向割煤做准备。在输送机横移过程中，开始由一节中部槽构成小“S”弯，随后发展扩大到由推移步距和输送机自身结构确定的一定节数的中部槽构成的大“S”弯，形成弯曲段。
决定输送机横向推移弯曲段槽间连接受力的因素很多，如溜槽长度、槽间水平允许转角、推移步距、横向推移阻力和推溜架型等。在支架推移过程中，随推移行程增大，弯曲段不断加长，推移阻力也在增大，因而推移过程也是支架推力增大的过程，到达终点时支架对输送机作用力最大，作用在弯曲段槽间连接哑铃和槽帮哑铃座上的力也达到最大，此时哑铃受拉。将弯曲段上支架横向推溜力产生的弯矩和横向力与阻力产生的弯矩和横向力叠加，就可以计算出弯曲段上槽间各连接点处的弯矩和横向力。
二、实体模型的建立
以3×700kW的输送机中部槽哑铃为例，首先明确该零件的信息模型内涵，并对特征进行规划和设计，然后利用PRO/E�？樘峁┑奶卣骼嘈徒薪！Ｏ旅婕虻ソ樯芤幌卵屏宓脑煨凸�。
1)确定分模面和拔模斜度。由于哑铃为锻件，选择合理的分模面是毛坯锻造的第一步，所以造型过程也应最先确定分模面和拔模斜度。
2)采用“旋转”的方法，生成初样模型。
3)采用“剪切材料”的方法，获得所需要的特征。
4)采用“拔模”的方法，对需要拔模的面进行拔模。
最终得到可以进行分析的哑铃实体模型，如图2所示。
三、有限元的前处理
将上面的实体模型导入PRO/M�？椋杏邢拊治龅那爸么�，步骤如下：
1)打开PRO/E模型，连接人PRO/M�？�。
2)在该�？橄露ㄒ迥Ｐ偷牟牧衔�30CrMnTi，ab=1450MP。
3)约束和载荷的确定：由于在实际工作中，哑铃承受轴向拉力，两端内侧是防止轴向移动的主要受力面，故可约束其一端，而在另一端内侧施加轴向载荷360t。
4)采用实体单元网格划分模型，网格的生成以哑铃的三维立体模型为基础，PRO/M会根据选择的单元类型自动划分，处理数据如下：
Points： 572
Edges: 2637
Faces： 3640
Springs: 0
Masses： 0
Beams: O
Shells: 0
Solids: 1574
Elements： 1574
结果如图3所示。
从上述数据可以看出，最大应力值1258MPa，最大变形4.97mm，应力集中处在哑铃内侧与哑铃座接触部位，说明该哑铃满足使用要求，并能保证在异常情况下哑铃座的安全。
五、疲劳分析
输送机在移动过程中，每节中部槽上的两个哑铃一个受拉，另一个不受力。因此，哑铃为脉动循环，即循环特性r=0。在循环载荷的反复作用下，每次应力都会达到这一数值，这样就形成了以哑铃两端受拉，放松，再受拉，再放松的情形。因此，在进行分析时确定N=105为一个周次。分析结果发现，在哑铃与哑铃座接触部位Confidence of life(该值越大，表明疲劳寿命可信度越高)系数最低，数值=1，如图6所示，图中发亮区域是疲劳段。而疲劳裂纹最先可能出现在哑铃与哑铃座接触部位，即图7中的发亮条纹，当疲劳达到一定程度时，该处首先开始产生疲劳裂纹，进而发生断裂。目前世界范围内工作面走向长度最大在6000m左右，采煤机切割一次的推进距离是0.85m。这样，一个工作面下来哑铃承受6000÷0.85=7056次循环作用力，而计算的寿命循环次数为10万次，这样足以保证安全使用周期。
六、结语
刮板输送机的寿命一般是用中部槽在运煤磨损失效前的过煤量来衡量的，因而中部槽的槽问连接在输送机的寿命期间内不应发生失效，以避免不应有的寿命下降。中部槽的槽间连接失效往往发生在支架拉架特别是推溜时，过大的拉力造成哑铃或哑铃座的断裂。准确地分析研究哑铃的强度、疲劳及变形，可为哑铃及槽帮的结构改进和优化设计提供设计依据。
