基于有限元法的刮板輸送機(jī)銷軌受力分析
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梁寶林1，李 軍1，朱殿瑞2
（1．霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電公司方山縣店坪煤礦，山西 呂梁 033100;2．太原重工軋鋼設(shè)備分公司，山西 太原 030024）
摘要：依據(jù)某型號刮板輸送機(jī)銷軌實(shí)際尺寸，應(yīng)用Pro/E三維建模軟件對銷軌進(jìn)行實(shí)體建模，通過中間格式把三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS Workbench中對銷軌進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。由于銷軌受力情況復(fù)雜，對不同作用力下銷軌的應(yīng)力與應(yīng)變進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明：應(yīng)力與應(yīng)變隨作用力的增大而增大，基本成線性關(guān)系，銷軌具有較高的強(qiáng)度系數(shù)，可以保證銷軌的可靠性以及壽命要求。
關(guān)鍵詞：刮板輸送機(jī)；銷軌；ANSYS;分析m中圖分類號：TP391.7：TD63+.4.2
0引言
刮板輸送機(jī)是煤礦井下的主要運(yùn)輸設(shè)備，是采煤機(jī)的運(yùn)行軌道和液壓支架的推移支撐，綜采技術(shù)的發(fā)展對刮板輸送機(jī)提出了更高的要求，高產(chǎn)、高效和少故障率成為刮板輸送機(jī)的發(fā)展方向。
銷軌是刮板輸送機(jī)中的重要零部件，它通過銷孔與軌座進(jìn)行聯(lián)接，在工作過程中主要受到采煤機(jī)在截割煤層時(shí)的截割反力的作用，反力越大銷軌受到的作用力就越大，當(dāng)作用力超過銷軌能夠承受的極限應(yīng)力后就會使銷軌失效。研究表明：銷軌的主要失效形式有斷裂、齒形變形等。由于刮板輸送機(jī)的工作環(huán)境非常惡劣，在工作過程中銷軌處于酸性以及煤泥等物質(zhì)中，使用一定時(shí)間后銷軌的生銹、腐蝕現(xiàn)象極為嚴(yán)重，所以對銷軌進(jìn)行受力分析、強(qiáng)度校核是很有必要的。
本文主要對采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上運(yùn)行時(shí)可能導(dǎo)致的齒軌斷裂、變形、應(yīng)力集中等問題進(jìn)行研究，由于銷軌受力復(fù)雜，外界干擾因素較多，故對銷軌在不同受力情況下進(jìn)行有限元分析。
1銷軌模型的建立
該型號刮板輸送機(jī)銷軌由126 mm節(jié)距六齒銷排組成，根據(jù)刮板機(jī)和銷軌說明書中的實(shí)際尺寸，運(yùn)用三維軟件Pro/E建立齒軌實(shí)體模型，為簡化計(jì)算模型、減少分析計(jì)算時(shí)間、提高分析效率，忽略一些不影響分析結(jié)果的倒角、廠標(biāo)等，建模后另存為中間格式導(dǎo)入ANSYS Workbench有限元分析軟件中。銷軌的幾何模型如圖1所示。
2 有限元分析
2.1 定義材料屬性
齒軌參數(shù)在ANSYS中設(shè)置，材料為40CrMnMo，查閱相關(guān)資料得知銷軌材料的抗拉強(qiáng)度σb=650 M Pa，屈服強(qiáng)度σs=430 M Pa，彈性模量為206G Pa，泊松比為0.3，密度為7 900 kg/m3。
2.2 網(wǎng)格劃分
采用四面體單元，銷軌整體采用系統(tǒng)默認(rèn)的自由網(wǎng)格劃分，有限元網(wǎng)格模型的節(jié)點(diǎn)數(shù)為41 898個(gè)，單元數(shù)為24 756個(gè)。銷軌的網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。
2.3 約束條件及施加載荷
在實(shí)際工況下，銷軌通過銷軸穿入銷孔與軌座聯(lián)接，所以本文對銷軌的頂面與其中一銷孔采用固定約束，對另一孔施加X方向的作用力F。F由下式計(jì)算：F=P/v.
其中：P為牽引電機(jī)功率；v為行走速度。
該型號采煤機(jī)的功率為1 000 kW，牽引電機(jī)功率為45 kW，行走速度為5 m/min～9 m／min，本例計(jì)算行走速度取6 m／min。
將相關(guān)參數(shù)代入式(1)，計(jì)算得F=450 k N。齒軌與行走輪嚙合時(shí)，沿嚙合線作用在銷齒面上的法向牽引力垂直于銷齒面。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，采煤機(jī)牽引力為牽引電機(jī)功率下牽引力的0.5倍，所以選取作用力沿X方向大小為225 k N 。施加載荷和邊界條件后的模型如圖3所示。
2.4 后處理
用有限元軟件ANSYS計(jì)算在該作用力下銷軌的變形和應(yīng)力，得到的銷軌的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖如圖4和圖5所示�？梢钥闯鲣N軌在X向作用力為225 k N情況下的最大應(yīng)力σmax= 181 M Pa，最大變形δmax=0.135 mm。
3參數(shù)化設(shè)計(jì)
由于銷軌實(shí)際受力情況復(fù)雜，采煤機(jī)的反作用力隨著工況的不同而改變，所以有必要對銷軌的作用力添加一區(qū)間力，以了解在某特定力作用下銷軌的應(yīng)力與應(yīng)變情況。本文選擇對X向添加200 k N～300 k N區(qū)間中5組受力情況下銷軌的應(yīng)力與變形進(jìn)行研究，得到的最大應(yīng)力和最大變形如表1所示。不同受力情況下銷軌的應(yīng)力曲線如圖6所示。
4結(jié)論
通過對銷軌施加不同大小的作用力進(jìn)行研究，結(jié)果表明在不同作用力下銷軌的應(yīng)力與應(yīng)變變化明顯，都隨著作用力的增大而增大，基本成線性關(guān)系。計(jì)算得到的最大應(yīng)力小于材料極限應(yīng)力，說明銷軌強(qiáng)度滿足使用要求。采用有限元分析軟件ANSYS Workbench可以方便快捷地對齒軌進(jìn)行有限元分析和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為后期的銷軌的改進(jìn)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。
