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斗式提升机的滚轮轴疲劳断裂的有限元分析

斗式提升机是一种用来垂直提升物料的设备,最近大家企业的工程师在进行其滚轮轴应力的有限元计算为三维应力问题。ANSYSApp模拟分析的疲劳应力为最大应力对滚轮轴变形的影响。使用ANSYSApp对滚轮轴进行实体建模,滚轮轴的有限元单元采用单元SOLID92,网格划分采用ANSYS中自带的自适应网格划分,得到轴的自由网格有限元模型,并按实际受力情况进行加载,得出滚轮轴危险截面的应力等值线云图。从应力云图可知,应力最大的位置在滚轮轴轴端受约束部位。

    由ANSYS模拟滚轮轴变形时的动画演示可知,由于受到交变应力的反复作用,在斗式提升机的滚轮轴轴端台阶处产生周而复始的弯曲变形,通过ANSYS应力云图可知轴端过渡处存在应力集中,疲劳裂纹源在此位置产生并扩展,最终导致轴端断裂。另外,在轴端处加5 mm圆角后,虽然也有应力集中,但明显要比无圆角应力值低。因此,控制疲劳裂纹源的产生是延长滚轮轴疲劳寿命的主要措施。通过提高零件表面质量系数β,降低零件切应力有效应力集中系数k,可以延缓疲劳裂纹源的起源时间,从而提高滚轮轴的疲劳寿命。

    斗式提升机轴承断裂主要原因是由弯曲引起的疲劳断裂。最高应力集中区域正是滚轮轴产生裂纹和断轴截面的区域,验证了分析的正确性;通过ANSYSApp的模拟计算,滚轮轴台阶处为5 mm圆角时为最佳,疲劳寿命提高了180 d;滚轮轴疲劳裂纹的根源是由应力集中造成,滚轮轴的质量和材料的内部缺陷没有达到标准要求是滚轮轴断裂的内在原因;通过热处理消除或改善应力集中以及提高材料和滚轮轴的质量是提高其疲劳强度的关键。使用的材料一定要达到斗式提升机的设计要求的力学性能指标、金相组织、夹杂物级别标准。

斗式提升机的滚轮轴疲劳断裂的有限元分析

 

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