大型链篦床小轴的分析与优化

田国富，高峰

大型链篦床小轴的分析与优化

田国富，高峰

(沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110870)

小轴是链篦床的关键零件之一，在工作时要承受非常大的工作载荷。为了保证小轴保证有较高的强度和避免工作时的失效问题，从小轴材质和结构两方面进行可靠性分析。根据小轴材质的化学成分确定了其所属合金类型，探究了该类型合金的力学性能并进行材质的重新选择;对小轴不同受载类型下的应力应变进行有限元仿真分析，并汇总分析力－变仿真数据，提供理论参考指导。提出了改进方案－篦板自动复位装置，有效保证了设备的质量。

小轴失效;材料性能;结构;应力;位移

0 前言

小轴是链篦床的关键零件之一，用于连接篦板、链节，其工作性能直接影响整体设备的正常运行和使用安全。小轴弯曲变形和膨胀伸长在链篦床中是常见的问题，通常会引起一系列的并发故障，如篦板卡死，小轴不能套在链轮齿上，多链运行不同步，受力不均;而小轴断裂会使整个传动系统停机，甚至全面停产。

1 小轴的失效分析

观察失效的小轴时发现:小轴与小轴轴孔侧发生蠕变变形错位，蠕变变形量在篦床两侧小轴处最大，变形方向与篦床运行方向平行，在轴孔处有明显磨损;小轴中间部位发生拱起弯曲变形。

造成小轴失效的原因有两方面:一方面是因为制造小轴所用的材料性能不满足实际的使用要求;另一方面，主要是由于小轴受力不均引起的，例如输送带跑偏使得小轴端部和侧板将会与侧密封装置产生很大的摩擦力，使小轴产生弯曲。

2 小轴的材料分析

2.1 材料成分分析

在小轴上取样进行化学成分测试，结果见表1。根据测试结果查阅标准GB/T 3077-1988，该样品类型对应钢种为20CrMo或25CrMo。该钢种的热强性较高，淬透性较好，无回火脆性，冷应变塑性，可加工性及焊接性均良好。该钢种中Cr、Ni含量极低，其高温强度、抗氧化性和耐腐蚀性差，易发生蠕变变形，所以该小轴样品材质并不能满足工作要求。

表1 小轴材料的化学成分(质量分数%)Tab.1Chemical constituents of tiny axle

2.2 材料硬度检测

切取试样对小轴材料进行硬度检测，按照GB/T3299－1991，GB/T231.1－2009硬度试验的要求，用直径为5 mm的硬质合金球在750 kN的条件下进行测试。结果表明，该材料的布氏硬度约为224 HB，而20CrMo钢的标准布氏硬度为197 HB，说明材料在使用中出现了硬化现象。

2.3 小轴材料改进

根据工况条件，可选择耐热钢2Cr20制作备件。耐热钢2Cr20的间歇服役为735℃，连续服役为620℃。始终处于交变工况下工作，应按间歇服役选择材质。2Cr20淬火(920～980℃油冷)状态下硬度高，耐蚀性良好，并添加6%左右的Ni，起到固溶强化和弥散强化作用，提高高温抗蠕变能力;加入2%左右的Si，提高耐热钢的抗氧化性能和抗硫化性能;加入1%左右N，提高合金的高温强度;加入9%左右的Mn，用来提高小轴的组织稳定性、高温强度和耐磨性，因此新材质为2Cr20 Mn9Ni6Si2N。

根据《高温金属材料的性能、强度设计及工和应用》，2Cr20在760℃的极限应力为462 MPa，安全系数取1.5，则许用应力为308 MPa，能满足小轴的强度要求，增加的成份使小轴高温强度再次提高，因此，采用新材料制作小轴能满足高温工作强度要求。具体计算过程详见文献［3］。

3.2 小轴有限元分析

小轴的长度2904 mm，直径为Φ38 mm，两链间隔894 mm，并排放着2块篦板，一根轴上总共有3条链节，6块篦板相连。如图1所示为小轴、链节、篦板的局部装配图。

图1 小轴、链节、篦板的局部装配图Fig.1Part assembly drawing of tiny axle，chain link，grid plate

材料2Cr20Mn9Ni6Si2N的弹性模量E为212 GPa，泊松比μ为0.23，密度为7.73 g/cm3，抗拉强度为630 MPa。对小轴进行有限元分析:采用Solid185单元划分自由网格，每单元有8个节点，每节点有3个自由度，每个网格大小为0.005 m，其网模型如图2所示。

3 小轴的结构分析

3.1 小轴受力计算

在忽略无关因素下，一根小轴在正常工作时，连接4条链，小轴所受的力主要受到前后两节链节的拉力，所受约束为全约束。

小轴受牵引链的总张力约为620 024.4 N，

图2 小轴有限元网格划分模型Fig.2Finite element mesh model of tiny axle

根据实际工况，小轴与链节的配合受力主要分为4种状态:①4个链节配合处均受力;②1号、2号链节配合处受力;③1号、3号链节配合处受力;④1号、4号链节配合处受力。

(1)4个链节配合处均受力状态。1、2、3、4表示链节所在位置，图3所示为约束与载荷位置。利用ANSYS软件求解，图4、图5分别为小轴的等效应力云图和变形云图，可知最大等效应力为237 MPa，最大变形量为0.046 7 mm。

图3 小轴全约束下有限元载荷模型Fig.3Finite element load model of tiny axle under fully constrained

图4 小轴全约束下等效应力云图Fig.4Equivalent stress contour of tiny axle under fully constrained

图5 小轴全约束下变形云图Fig.5Equivalent strain contour of tiny axle under fully constrained

(2)小轴与1号、2号链节配合处受力状态。此时，1号、2号链节受力分别为620024/2= 310012 N，图6所示为约束位置及载荷加载位置。利用ANSYS软件求解，图7、图8分别为此时的等效应力云图和变形云图，可知最大应力为474 MPa，最大变形量为0.901 mm。

图6 小轴仅1、2号链节处受载荷图Fig.6Load diagram of tiny axle while chain link 1＆2 under load only

图71 、2号链节受载下的小轴等效应力云图Fig.7Stress contour of tiny axle while link 1＆2 under load only

图81 、2号链节受载下的小轴变形图Fig.8Strain contour of tiny axle while link 1＆2 under load only

(3)小轴与1号、3号链节配合处受力。此时状态与状态②相似，利用ANSYS软件求解，图9、图10分别为此时状态下的等效应力云图和变形云图，可知最大等效应力为474 MPa，最大变形量为0.509 mm。

图91 、3号链节受载下的小轴等效应力云图Fig.9Stress contour of tiny axle while link 1＆3 under load only

(4)小轴与1号、4号链节配合处受力状态。此时状态与状态②相似，用ANSYS软件求解，图11、图12分别为此时状态下下的等效应力图和变形云图，可知最大等效应力为474 MPa，最大变形量为0.293 mm。

图111 、4号链节受载下的小轴效应力云图Fig.11Stress contour of tiny axle while link 1＆4 under load only

图121 、4号链节受载下的小轴变形图Fig.12Stress contour of tiny axle while link 1＆4 under load only

3.3 数据汇总分析

将4种受力状态下的有限元仿真分析数据见表3。

表2 小轴不同加载状态下的应力－应变数据Tab.2Stress-strain data of tiny axle under different loading conditions

经分析可知:在不完全约束的状态下，即状态②～④这3种状态下的小轴受最大等效应力相同，但是变形量不同;第2种受力状态下的小轴变形最大，第④种状态下的变形量较小;第①种状态下的小轴所受等效应力和变形量都最小。由此可知，小轴在状态①下工作对整体设备最为有利。

3.4 改进方案

为了防止小轴因高温物料堆积而引起局部高温或布料不均，从而引起变形失效，在链篦机机尾设计了一篦板自动复位装置，能使未复位的篦板自动回位，结构如图13所示。自动复位装置主要由滚轮1、支架2、底座3、钢丝软绳4共同构成。在连续运行的链篦床上，未自然复位的篦板经过滚轮时，滚轮的重力与链篦机的驱动力对未复位的篦板产生压迫，强制篦板复位。

图13 篦板自动复位装置Fig.13Grid plate automatic runback device

4 结论

对小轴的材料化学成分分析，证明原材料的缺陷，选取新材料2Cr20Mn9Ni6Si2N;通过对新材料小轴的4种状态进行有限元分析，探究了小轴的结构性能，对发现的问题提出改进方案，即篦板自动复位装置，实践证明效果良好，降低了经济损失。

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Analysis and optimization of the tiny axle of large grate

TIAN Guo-fu，GAO Feng
(Shenyang University of Technology School of Mechanical Engineering，Shenyang 110870，China)

The tiny axle is one of the key parts of the grate and always undertake heavy load in processing．In order to guarantee its strong strength and avoid its failure，its material property and structure were analyzed，and the alloy type was determined according to its mechanical ingredient，and its stress property was explored and the material was selected again．The stress and strain under different kinds of loads were simulated and analyzed by finite element model，the simulation data were collected and analyzed，which provided effective reference basis for practical structure improvement of tiny axle．Meanwhile grid plate automatic runback device，as an improvement scheme，was proposed，which are verified in practice．

tiny axle failure;material property;structure;stress;strain

TF046

A

1001－196X(2017)01－0079－05

2015－11－20;

2016－02－29

沈阳市科技创新专项资金-工业科技攻关项目(F15-040-2-00)

田国富(1968－)男，汉族，博士，教授，研究领域: CAD/CAE技术，数控技术与装备等。