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復雜載荷條件下斗式提升機主軸的斷裂分析

點擊數:26時間:2015-03-11 10:21:32 來源:xxbsjx.cn

摘要:復雜載荷條件下斗式提升機主軸的斷裂分析

礦井斗式提升機主軸是斗式提升機的關鍵承載部件,主軸的設計應保證其承受復雜工作載荷時不發生殘余變形和過量的彈性變形,同時還應保證一定的使用壽命。傳統設計中大都假定主軸是完整結構,由于缺乏精確的強度計算方法,在對其進行靜強度和疲勞分析時都給予了較大的安全系數,具有一定的經驗性和盲目性。許多礦井斗式提升機主軸,由于各種原因,如腐蝕坑、鍛造缺陷、焊接裂紋、表面劃傷、非金屬夾雜等在長期交變應力作用下生成疲勞裂紋,并發生疲勞裂紋擴展,最終導致突發性斷裂事故。利用有限元數值模擬方法對礦井斗式提升機主軸進行應力應變場分析,可以求出各處應力分布,為考察局部應力和主軸失效分析提供理論基礎。

研究中采用有限元軟件ABAQUS,以含橢圓裂紋的2JK型單繩雙筒纏繞式礦用斗式提升機主軸為研究對象,分別求出了復雜載荷條件下主軸的應力應變分布狀況;并用子模型技術模擬計算了4種工況下斗式提升機主軸三維表面裂紋附近的應力應變場,獲取了橢圓裂紋前端應力強度因子KI和J積分的分布規律;研究了各斷裂參量在承受復雜載荷的斗式提升機主軸裂紋擴展過程中的變化;通過比較應力強度因子KI和J積分反映裂紋擴展的有效性,為軸類零件結構完整性評價提供了一定的理論依據。

1有限元模型主軸的有限元模型分為全局模型和子模型,全局模型用于分析承受復雜載荷的主軸整體應力分布狀況。在全局模型分析結果的基礎上,對需要詳細考察的裂紋前端應力應變場采用了子模型分析技術,使用更加精細的網格對模型的局部作進一步的分析,從而以較小的計算代價得到更精確的解。

1.1材料模型由于45號鋼對用力集中敏感性小,強度、耐磨性、沖擊韌性都比較好,是礦井斗式提升機主軸主要使用材料之一。根據計算分析的需要,定義了線彈性和彈塑性2種材料屬性,主要力學參數1.

1.2幾何模型

2JK型單繩雙筒纏繞式礦用斗式提升機主軸的幾何形狀如1所示,裂紋位置在固定卷筒與主軸的結合處的右端。從中切出的含裂紋區域的幾何尺寸,中顯示的是該區域厚度的一半,整個子模型的厚度是20mm,半橢圓裂紋長度為40mm。

1.3.1主軸的邊界條件及載荷通過對礦用斗式提升機工作情況的分析,取游動卷筒端的軸承為固定約束,固定卷筒端軸承在軸向上不受約束。主軸承受的載荷包括主軸自重及安裝在主軸上的零部件重,計算時,將各零部件的重力認為是加到各自輪轂中心的集中力,纏繞在卷筒上的鋼絲繩的重量簡化為各支輪中心的集中力。為了避免出現應力集中,將這些集中力轉化為相應面上的面載荷。承受的扭矩包括減速器輸出端傳送到主軸的扭矩,鋼絲繩拉力產生的扭矩,卷筒等運動件的變位產生的扭矩。由于斗式提升機主軸的實際工作狀況比較復雜,僅對該型斗式提升機主軸在鋼絲繩單層纏繞時的4種工況(固定卷筒提升開始、固定卷筒提升終了、游動卷筒提升開始和游動卷筒提升終了)進行了數值模擬計算,得到各種工況下整個主軸的應力應變場,從而作為子模型的邊界和載荷條件驅動。

1.3.2有限元模型及網格整個主軸的網格劃分,計算中采用C3D8R單元,即八節點六面體線性減縮積分單元,單元總數為21272.子模型部分的網格劃分如4所示,為了得到更為精確可靠的計算結果,在裂紋的附近對網格進行了精細劃分,同樣采用C3D8R單元,單元總數為38260。

2計算結果及分析

4種情況下,裂紋區域的最大Von-Mises應力和最大等效塑性應變2.5和6分別是距離裂紋前端0.ji3mm處的路徑一上的法向應力和法向塑性應變的分布情況,由此可以看出,4種工況下,裂紋中間處的應力和應變比較小,遠離裂紋中間,應力應變先逐漸增大,快到達主軸表面的時候又開始減小。工況二即固定卷筒提升開始時的應力和應變都是最大的,這種工況下裂紋比較容易擴展,這也是最危險的一種工況。工況四的應力和應變最小,工況一和工況三時裂紋前端的應力和應變幾乎一致。7和8分別是裂紋前端的應力強度因子KⅠ和J積分的分布情況。與路徑一上的應力和應變分布類似,4種工況下,裂紋中間處的應力強度因子KⅠ和J積分比較小,遠離裂紋中點,應力強度因子KⅠ和J積分先逐漸增大,到距離裂紋中點10mm和7mm處又開始急劇減小。工況二時裂紋前端的應力強度因子KⅠ和J積分都是最大的,橢圓表面裂紋在此種工況下更易發生失穩擴展,且裂紋中點和兩端的擴展明顯要慢于裂紋其他部位的擴展。工況四的應力強度因子KⅠ和J積分最小,工況一和工況三的則比較接近。9是歸一化之后的工況二下的應力強度因子KⅠ和J積分。以線彈性材料為主的分析即KⅠ主導時,距離裂紋中點10mm處是擴展最快的部位;以彈塑性材料為主的分析即J主導時,距離裂紋中點7mm處是擴展最快的部位。二者的分析結果是有所區別的,這在具體

3結論

1)利用數值模擬技術對工程上常見的受復雜載荷并包含不規則裂紋的構件進行工程分析,并求解三維復雜裂紋前沿的應力強度因子K和J積分分布是可行的。

2)在不同工況下,由于承受面載、彎矩和扭矩的不同,斗式提升機主軸表面橢圓裂紋的應力應變場分布、應力強度因子K和J積分有較大差異。計算結果表明,在斗式提升機主軸的4種常見工況下,裂紋中間處的應力強度因子KⅠ和J積分比較小,遠離裂紋中點,應力強度因子KⅠ和J積分先逐漸增大,后又急劇減小,說明裂紋中點和兩端的擴展明顯要慢于裂紋其他部位的擴展。另外,工況二即固定卷筒提升開始時的應力應變、應力強度因子K和J積分值都是最大的,這也是最危險的一種工況。

3)對應力強度因子KⅠ和J積分的歸一化分析表明,以線彈性材料為主的分析即KⅠ主導時,距離裂紋中點10mm處是最易斷裂的部位;以彈塑性材料為主的分析即J主導時,距離裂紋中點7mm處是最易斷裂的部位。二者的結果截然不同,在具體應用中應引起注意。

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