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复杂载荷条件下斗式提升机主轴的断裂分析

点击数:26时间:2015-03-11 10:21:32 来源:xxbsjx.cn

摘要:复杂载荷条件下斗式提升机主轴的断裂分析

矿井斗式提升机主轴是斗式提升机的关键承载部件,主轴的设计应保证其承受复杂工作载荷时不发生残余变形和过量的弹性变形,同时还应保证一定的使用寿命。传统设计中大都假定主轴是完整结构,由于缺乏精确的强度计算方法,在对其进行静强度和疲劳分析时都给予了较大的安全系数,具有一定的经验性和盲目性。许多矿井斗式提升机主轴,由于各种原因,如腐蚀坑、锻造缺陷、焊接裂纹、表面划伤、非金属夹杂等在长期交变应力作用下生成疲劳裂纹,并发生疲劳裂纹扩展,最终导致突发性断裂事故。利用有限元数值模拟方法对矿井斗式提升机主轴进行应力应变场分析,可以求出各处应力分布,为考察局部应力和主轴失效分析提供理论基础。

研究中采用有限元软件ABAQUS,以含椭圆裂纹的2JK型单绳双筒缠绕式矿用斗式提升机主轴为研究对象,分别求出了复杂载荷条件下主轴的应力应变分布状况;并用子模型技术模拟计算了4种工况下斗式提升机主轴三维表面裂纹附近的应力应变场,获取了椭圆裂纹前端应力强度因子KI和J积分的分布规律;研究了各断裂参量在承受复杂载荷的斗式提升机主轴裂纹扩展过程中的变化;通过比较应力强度因子KI和J积分反映裂纹扩展的有效性,为轴类零件结构完整性评价提供了一定的理论依据。

1有限元模型主轴的有限元模型分为全局模型和子模型,全局模型用于分析承受复杂载荷的主轴整体应力分布状况。在全局模型分析结果的基础上,对需要详细考察的裂纹前端应力应变场采用了子模型分析技术,使用更加精细的网格对模型的局部作进一步的分析,从而以较小的计算代价得到更精确的解。

1.1材料模型由于45号钢对用力集中敏感性小,强度、耐磨性、冲击韧性都比较好,是矿井斗式提升机主轴主要使用材料之一。根据计算分析的需要,定义了线弹性和弹塑性2种材料属性,主要力学参数1.

1.2几何模型

2JK型单绳双筒缠绕式矿用斗式提升机主轴的几何形状如1所示,裂纹位置在固定卷筒与主轴的结合处的右端。从中切出的含裂纹区域的几何尺寸,中显示的是该区域厚度的一半,整个子模型的厚度是20mm,半椭圆裂纹长度为40mm。

1.3.1主轴的边界条件及载荷通过对矿用斗式提升机工作情况的分析,取游动卷筒端的轴承为固定约束,固定卷筒端轴承在轴向上不受约束。主轴承受的载荷包括主轴自重及安装在主轴上的零部件重,计算时,将各零部件的重力认为是加到各自轮毂中心的集中力,缠绕在卷筒上的钢丝绳的重量简化为各支轮中心的集中力。为了避免出现应力集中,将这些集中力转化为相应面上的面载荷。承受的扭矩包括减速器输出端传送到主轴的扭矩,钢丝绳拉力产生的扭矩,卷筒等运动件的变位产生的扭矩。由于斗式提升机主轴的实际工作状况比较复杂,仅对该型斗式提升机主轴在钢丝绳单层缠绕时的4种工况(固定卷筒提升开始、固定卷筒提升终了、游动卷筒提升开始和游动卷筒提升终了)进行了数值模拟计算,得到各种工况下整个主轴的应力应变场,从而作为子模型的边界和载荷条件驱动。

1.3.2有限元模型及网格整个主轴的网格划分,计算中采用C3D8R单元,即八节点六面体线性减缩积分单元,单元总数为21272.子模型部分的网格划分如4所示,为了得到更为精确可靠的计算结果,在裂纹的附近对网格进行了精细划分,同样采用C3D8R单元,单元总数为38260。

2计算结果及分析

4种情况下,裂纹区域的最大Von-Mises应力和最大等效塑性应变2.5和6分别是距离裂纹前端0.ji3mm处的路径一上的法向应力和法向塑性应变的分布情况,由此可以看出,4种工况下,裂纹中间处的应力和应变比较小,远离裂纹中间,应力应变先逐渐增大,快到达主轴表面的时候又开始减小。工况二即固定卷筒提升开始时的应力和应变都是最大的,这种工况下裂纹比较容易扩展,这也是最危险的一种工况。工况四的应力和应变最小,工况一和工况三时裂纹前端的应力和应变几乎一致。7和8分别是裂纹前端的应力强度因子KⅠ和J积分的分布情况。与路径一上的应力和应变分布类似,4种工况下,裂纹中间处的应力强度因子KⅠ和J积分比较小,远离裂纹中点,应力强度因子KⅠ和J积分先逐渐增大,到距离裂纹中点10mm和7mm处又开始急剧减小。工况二时裂纹前端的应力强度因子KⅠ和J积分都是最大的,椭圆表面裂纹在此种工况下更易发生失稳扩展,且裂纹中点和两端的扩展明显要慢于裂纹其他部位的扩展。工况四的应力强度因子KⅠ和J积分最小,工况一和工况三的则比较接近。9是归一化之后的工况二下的应力强度因子KⅠ和J积分。以线弹性材料为主的分析即KⅠ主导时,距离裂纹中点10mm处是扩展最快的部位;以弹塑性材料为主的分析即J主导时,距离裂纹中点7mm处是扩展最快的部位。二者的分析结果是有所区别的,这在具体

3结论

1)利用数值模拟技术对工程上常见的受复杂载荷并包含不规则裂纹的构件进行工程分析,并求解三维复杂裂纹前沿的应力强度因子K和J积分分布是可行的。

2)在不同工况下,由于承受面载、弯矩和扭矩的不同,斗式提升机主轴表面椭圆裂纹的应力应变场分布、应力强度因子K和J积分有较大差异。计算结果表明,在斗式提升机主轴的4种常见工况下,裂纹中间处的应力强度因子KⅠ和J积分比较小,远离裂纹中点,应力强度因子KⅠ和J积分先逐渐增大,后又急剧减小,说明裂纹中点和两端的扩展明显要慢于裂纹其他部位的扩展。另外,工况二即固定卷筒提升开始时的应力应变、应力强度因子K和J积分值都是最大的,这也是最危险的一种工况。

3)对应力强度因子KⅠ和J积分的归一化分析表明,以线弹性材料为主的分析即KⅠ主导时,距离裂纹中点10mm处是最易断裂的部位;以弹塑性材料为主的分析即J主导时,距离裂纹中点7mm处是最易断裂的部位。二者的结果截然不同,在具体应用中应引起注意。

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