刘楠
摘 要：为了探究刮板输送机哑铃易断裂的问题，本文通过实验研究与疲劳分析相结合的方式对哑铃进行力学特性分析；利用ANSYS对哑铃进行有限元分析，得到应力分布结果；运用哑铃载荷测试系统对哑铃的加载实验研究，得到哑铃在实际工作中的载荷数据；采用nCode DesignLife对提取危险区域最大等效应力时间历程进行雨流计数和疲劳寿命分析，得到哑铃的损伤云图和寿命循环次数。研究结果表明，哑铃损坏是从哑铃颈部应力集中最大区域形成的疲劳开始，当裂纹扩展区扩散到一定程度后到达疲劳断裂区，使整个哑铃断裂，根据刮板输送机的工作条件得到哑铃产生裂纹的时间为92d，为哑铃的结构改进安装提供设计依据。
关键词：哑铃 力学性能 载荷谱 疲劳寿命
中图分类号：TD528 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）08（b）-0034-02
1 刮板输送机哑铃力学性能分析
刮板输送机横向平移过程中哑铃的受力非常复杂，拉力大小不仅取决于推移步距、横向推移阻力的大小，同时还受溜槽长度、槽间水平允许转角的影响。在推溜过程中，随着液压支架的向前推移的距离越大，管板输送机的弯曲越严重，哑铃所受拉力会逐渐增大，当一段的推移过程完成，拉力将达到最大。刮板输送机工作期间，哑铃承受拉力的复杂性还体现在哑铃的承载区域上。在不同的推溜循环哑铃与哑铃座的接触区域基本上可以分为两种：一种是哑铃凸端斜面整体受力凸端斜面上下两个较小区域内受力；另一种是哑铃经过多次的现场调研和探讨总结发现，两种接触区域出现的次数基本符合次数比大约为1/2这样一个统计规律。
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攘筒截深，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哑铃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。当液压支架推动输送机至顶点时，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，就可以计算出哑铃的弯矩和横向力。本文针对哑铃的工作状况对哑铃的受力进行简化如图1所示。
2 疲劳寿命分析
疲劳失效是材料局部裂纹萌生、扩展的结果。经典断裂力学的研究表明，大多数工程材料，尤其是金属，即使宏观上处于完全弹性状态，裂尖前沿局部区域也有屈服现象。近期不锈钢焊缝金属的疲劳短裂纹行为研究表明，光滑表面材料的疲劳“有效短裂纹”萌生区域与“主导有效短裂纹”裂尖前沿区域存在更大范围屈服[1]。因此，从疲劳损伤演化局部性角度，一般工程材料的疲劳失效实质上是局部循环应变累积的结果。本文采用实验与科学分析结合进行分析，分析哑铃材料E-N曲线和载荷谱。为避免求解大量的矩阵方程，采用ANSYS对哑铃进行加载，得出准确的应力分布，使用nCode来最终得到哑铃疲劳寿命。
将合理简化后的哑铃模型导入到ANSYS中进行动态加载，施加动态载荷的平均载荷与对应的约束，得到哑铃的应力云图和应变云图，如图2、图3所示。
从图2中可以看出，哑铃的两个内端面拐角处应力最大，哑铃所受最大应力为，有：
（3）
式中：为最大许用应力，MPa；
为材料屈服应力，MPa；
n为安全系数，这里取n=1.8。
计算可得，哑铃所受最大应力远远小于材料的屈服强度。
从图3中可以看出哑铃的最大位移发生在哑铃的端部，这是因为哑铃一端固定支承，另一端受力的缘故。
nCode针对寿命分析提供了应力疲劳分析、应变疲劳分析、多轴疲劳分析等多种分析方法[2]。本文采用应变疲劳的分析方法对哑铃进行分析。使用nCode对零件进行疲劳寿命分析时，需要有限元结果、材料疲劳性能和载荷谱3个外部条件。
由于哑铃在采煤机不同工况时受到的载荷有较大差异，为了更好地研究哑铃疲劳寿命，截取一段受力最大的载荷曲线，截取150s的载荷曲线，将已有的载荷曲线导入到nCode的load data中，进行雨流算法转换，得到雨流柱状图。
哑铃最大损伤点及疲劳寿命最小点的分析结果与应力集中部位基本吻合，最先损伤产生裂纹的部位为哑铃的颈部。在哑铃颈部的应力集中最大区域中，最大损伤值为9.98×10-5，哑铃最小疲劳寿命循环次数为1.113×104次，而其他部位螺纹牙根部的疲劳寿命循环次数大多数在1.52×106次，远远大于最大应力点部位的疲劳寿命，根据截取的载荷数据，可换算得到哑铃的推溜时间大约为463h，刮板输送机按照每天工作18h，刮板输送机推溜工况按照每天5h计算，可以得到哑铃产生裂纹的时间约为92d。
3 结语
通过分析刮板输送机中部槽的工作状况，对中部槽哑铃部分进行力学分析，运用自行研制的哑铃传感器测试系统，获取哑铃的实时载荷，利用中部槽在推溜工况下的最大工作载荷，研究哑铃的疲劳寿命，结论如下。
（1）本文分析了中部槽哑铃的受力情况，实际测试了哑铃在不同工况下所受的实时载荷，利用平均载荷进行静力分析得到哑铃的应力应变数据。
（2）通过对哑铃应变片微应变数据进行分析，通过拟合得到载荷数据，截取推溜时的载荷曲线导入nCode进行疲劳分析，得出疲劳寿命结果。
（3）哑铃损坏是从哑铃颈部应力集中最大区域形成疲劳源开始的，当裂纹扩展区扩散到一定程度后到达疲劳断裂区，使整个哑铃断裂。
参考文献
[1]薄兴驰，李祥松.刮板输送机哑铃销加载试验研究[J].煤矿机械，2015（12）：93-94.
[2]朱秀梅.刮板输送机关键零部件的强度分析及研究[D].辽宁工程技术大学，2006.
[3]李文军，姜翎燕，楊保良.哑铃连接销的静态强度与疲劳分析[A].中国煤炭学会.中国科协2005年学术年会第20分会场论文集[C].2005.endprint
