斗轮堆取料机斗轮体有限元分析及疲劳寿命预测

杨亮

摘 要：随着工业化的持续发展，企业对散状物料装罐设备的需求逐渐加大，集斗轮堆取料机及物料堆取、输送和混匀作业于一体，能够完成堆取合一、连续高效装卸输送工作，一方面提高了工作效率，另一方面还有效地降低了成本。不过，斗轮轴突发失效会造成严重的经济损失，甚至会引发伤亡。该文对建立的斗轮体三维模型进行有限元分析，对斗轮轴进行疲劳寿命预测，并提高改善方法，以便能够提高斗轮轴的使用用命。

关键词：斗轮堆取料机 斗轮轴 斗轮体 有限元分析 疲劳寿命

中图分类号：TH246 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）02（a）-0245-01

斗轮堆取料机也称为斗轮机，其生产效率高，操作简单，非常适用于大大型露天矿连续高效开采作业。该文对建立的斗轮体三维模型进行有限元分析，对斗轮轴进行疲劳寿命预测，并提高改善方法，以便能够提高斗轮轴的使用用命。

1 斗轮堆取料机斗轮体有限元分析

在工程设计中，往往以刚性梁单元来描述铲斗的开头和受力特征，从而方便对铲斗斗唇斗底的挖取力施加。

1.1 模型在有限元软件中的计算原则及理论基础

铲斗的厚度不高，插入阻力和挖取阻力沿铲斗百度方向不会造成影响，可以将铲斗受力模型简化为受均布载荷的简支梁，铲斗在推压阻力以及重力的双重影响下会出现变形，将铲斗半背的形状设为平面；在力的作用下，变形不超过铲斗的几何形状尺寸。

1.2 模型导入

在SolidWorks软件中建立斗的轮装配体导入到Ansys软件，可以采用很多种方法，比较常见的是IGES、parasolid等格式。该文选用Workbench12.0无疑链接的方法。

1.3 参数设定

设置类型、定义材料属性，斗轮体材料为45钢，材料性能参数如下：密度，弹性模量，泊松比。

1.4 划分网络

把实体模型予以离散，通过有限的小单元求解值近似代替实体计算值，需要注意的是网格划分的质量，否则会对结果造成影响。

1.5 施加载荷、设定约束条件

做出位移边界条件的确定，之后施加载荷和约束。不同的挖取阶段所受力的情况也随着发生变化，分别取两个工况对其受力模型予以简化，挖取阻力、推压取力以及物料重力全部为线性均布载荷。

1.6 仿真结果

斗轮实际挖取物料的静力分析结果图1所示，是铲斗插入阶段的受力状况图，在不同工况、斗轮形状相同的条件下，斗轮体上应力的集中位置在插入阶段有不同的变化。

2 斗轮轴疲劳分析

2.1 斗轮轴疲劳失效机制

斗轮体的扭矩、推力等变化载荷传递作用于斗轮轴，并反复作用其中，在一定次数之后，轮轴会出现变形，再加上载荷不断作用其中，斗轮轴表面会突发形成裂纹，很大程度的降低其承载能力，最终使斗轮轴出现断裂，造成斗轮轴失效。由于斗轮轴疲劳失效是一个逐渐延长伸展的过程，在裂纹萌生阶段无法用肉眼看到。有资料显示，裂纹和延长伸展速率与线裂纹尺寸和循环次数有很大的关系，假设临界损伤值，当材料平均损伤值达为D0时，裂纹尖点向前扩张D1，与其相对的循环次数为，第h次裂纹扩张速率为：

其中，a为裂纹尺寸；N为应力循环次数；Dl为裂纹尖点向前延长伸展尺寸；n为疲劳延长伸展裂纹扩张方向上节点数。

2.2 疲劳损伤表征

通常情况下，评价材料疲劳性能用S-N曲线来描述，测试材料疲劳性能的样品选择为相对较小同时没有出现裂纹的光滑圆柱。应力比的计算为：。应力与寿命的曲线关系可以通过冥函数、指数函数和三参数表达式来予以表示。

2.3 斗轮轴疲劳强度分析

在SolidWorks建立的斗轮轴实体模型，并模拟斗轮轴挖取物料受力最大工况，在斗轮轴安装轴承处设定约束，进行网络划分，计算出斗轮轴应力分布图，可知靠近斗轮轮休侧安装轴承处轮轴的强度最大。在预告规定的应力下，应力范围越小，斗轮轴的使用寿命越长，如果交变应力值接近200MPa时，斗轮轴不会出现破裂，寿命接近于无限长。

3 结果分析及改善

斗轮轴造成疲劳断裂影响的因素有多种。比如载荷性质、约束形式、基体结构尺寸、支承形式、加工工艺以及赎回环境等等。

（1）斗轮轴疲劳磨损程度与基体的各因素相关，基体尺寸越小磨损程度越低。

（2）斗轮轴加粗，或者对其薄弱的一面给予修复，能够有提升轮轴的抗疲劳损伤效应。

（3）可以采用Q235-A钢来代替45钢，斗轮轴的最大应力值为59.12MPa，比材料的屈服力小3倍多，进而也可以提升抗疲劳操作强度。

（4）可以将斗轮体减速器分别布置在轴承的外侧。此种方式的斗轮体一侧不会受到任何束缚，促进最佳切水果角的形成，非常适用于采掘具有倾斜边坡料堆。

参考文献

[1] 武艳花.斗轮堆取料机斗轮体有限元分析及疲劳寿命预测[D].太原：太原科技大学，2014.

[2] 武帅，郭瑞琴，李中，等.斗輪堆取料机斗轮体结构分析与优化设计[J].机械设计与制造，2014（11）：5-8.

[3] 张宝国，黄曙光，张起伟.基于Inventor的轨行式悬臂斗轮堆取料机的设计[J]. 起重运输机械，2008（4）：34-36.