田國富，高峰，陳金銘

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870)

大型鏈篦床鏈節(jié)的分析與優(yōu)化

田國富，高峰，陳金銘

(沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110870)

鏈節(jié)是鏈篦床的關(guān)鍵零件之一，通常在高溫、高壓環(huán)境下工作，對強度要求比較高。文章主要從材料性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面對鏈節(jié)進行有限元分析，得到了鏈節(jié)的應(yīng)力和位移分布情況。針對鏈節(jié)缺陷提出優(yōu)化措施，并進行了可靠性研究，為鏈節(jié)的實際結(jié)構(gòu)改進提供有效的參考數(shù)據(jù)。實踐證明，優(yōu)化后的鏈節(jié)能有效避免失效問題，保證了設(shè)備的質(zhì)量。

鏈篦床鏈節(jié)；失效；有限元；強度分析；應(yīng)力分布；位移

0 前言

鏈篦床是由小軸、鏈節(jié)、篦板、側(cè)板、定距管和小軸套等連接而成的一個連續(xù)的鏈條結(jié)構(gòu)。鏈篦床零部件需要承受高溫、高粉塵、腐蝕性氣體等惡劣環(huán)境共同作用，又要承受巨大的工作載荷：需要承載80 t左右的自身重量和40 t左右的料球(以2.8 m×36 m規(guī)格為例)；鏈篦床在輸送物料期間運行20 min，處于 200～950℃逐段升溫狀態(tài)，回程段處于空氣氧化中，特別在鏈篦機的頭部，最高溫度可達 1 250 ℃。鏈節(jié)是鏈篦床的關(guān)鍵零件之一，主要起傳遞力的作用，帶動鏈篦床裝置，其性能直接影響整體設(shè)備的的正常運行和使用安全。

圖1 鏈篦床零件裝配圖Fig.1 Part assembly drawing of grate chain link

1 鏈節(jié)失效分析

鏈篦床鏈節(jié)在工作中經(jīng)常發(fā)生如圖1所示的交叉線、面斷裂等失效問題，更換鏈節(jié)費時費力，給企業(yè)造成很大的經(jīng)濟損失。

圖2 失效的鏈節(jié)Fig.2 The failure of chain link

通過對失效的鏈節(jié)進行觀察發(fā)現(xiàn)：裂紋主要集中在鏈節(jié)濾縫開孔起始位置，并多處于與鏈輪嚙合終了部位，鏈節(jié)斷裂失效只發(fā)生在南面第一排鏈條。

通常，主軸鏈輪固定方式不合理，鏈輪發(fā)生緩慢移位，鏈節(jié)在與其嚙合過程中被逐漸磨損，強度下降，鏈輪位置移動后，在冷態(tài)轉(zhuǎn)機時，小軸收縮，鏈節(jié)與鏈輪不能正常嚙合，鏈節(jié)被鏈輪擠裂或崩斷。

2 鏈節(jié)材料成分分析

在失效的鏈節(jié)樣品上取樣進行化學(xué)成分測試，檢測結(jié)果見表1。

表1 鏈節(jié)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)%)

根據(jù)鏈節(jié)材料化學(xué)成分測試結(jié)果和耐熱鑄鋼 GB/T 8492—1987 中國國家標準進行比對，可確定樣品鋼號為 ZG40Cr25Ni12，屬于HH型合金。該材料最高使用溫度為 1 050 ℃，高溫環(huán)境下強度高，抗氧化性能好，材質(zhì)基本符合設(shè)計要求。

3 鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)分析

3.1 鏈節(jié)的受力計算

在不考慮其他無關(guān)因素的情況下，鏈節(jié)在工作時主要受拉力，約束為全約束。

3.1.1 頭輪軸扭矩的計算

(1)最大張力的近似計算。行走部分運行阻力系數(shù)ω為

(1)

式中，C1為各輪運行阻力影響系數(shù)，C1=1.15，C1取值范圍為1.1～1.2；K1為各輪軸承處滾動摩擦系數(shù)，K1=0.12；μ1為軸承滑動摩擦系數(shù)，μ1=0.1625，μ1取值范圍為0.1～0.25；d1為各輪軸平均直徑，d1=0.31，d1取值范圍為0.1～0.4 m；Dk為各輪平均直徑，Dk=1.176 m，取值范圍為0.4～1.2 m。

初始拉力S0為

S0=(300B+2L)g=8996.4 N

(2)

式中，B為鏈篦機的有效寬度，2.8 m；L為鏈篦機有效長度，39 m；g為重力加速度，9.8 m/s2。

鏈篦床牽引鏈的最大靜張力為

Smax=1.15[S0+ω(P1+1000γBLH)g]=
38.83 MN

(3)

式中，P1為鏈篦床總重，74 872.64 kg；γ為料球容積密度，一般取γ=2.2 t/m3；H為料層厚度，0.18 m。

3.1.2 動載荷Sd計算

(1)最大加速αmax。

(4)

式中，v為鏈篦機的速度，0.033 m/s；z為驅(qū)動鏈輪的齒數(shù)，18個；t為鏈篦床牽引鏈的鏈節(jié)距，0.2 m。

(2)動載荷計算公式。

Sd=3αmax(P1+1000γBHL)=120.48 N

(5)

(3)邊板與下滑道摩擦阻力Sm。

Sm=(P1+1000γBHL)g=23.15 MN

(6)

式中，μ為摩擦系數(shù)，取μ=0.2。

(4)鏈篦床牽引鏈的計算張力SJ。

SJ=Smax+sd+sm=620 kN

(7)

由于鏈篦床上有4個鏈條，所以每根鏈上的張力約為

Si=sJ/4=155 kN

(8)

3.2 鏈節(jié)有限元分析

鏈節(jié)節(jié)距為200 mm，原鏈節(jié)壁板下面與兩側(cè)筋板相交無圓角，筋板厚10 mm，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鏈節(jié)三維模型Fig.3 3D model of chain link

3.2.1 鏈節(jié)受力有限元分析

采用了Solid185單元，具有8個節(jié)點，每個節(jié)點3個自由度，對鏈節(jié)進行給網(wǎng)格劃分，在這里采用自由網(wǎng)格劃分，每個網(wǎng)格大小為.005 m，其網(wǎng)格劃分如圖4所示。鏈節(jié)材料彈性模量E取2.1×1011N/m2；泊松比λ取為0.28；密度ρ取為7.87 g/cm3；重量為3 140 kg；屈服極限取為930 MPa。針對鏈節(jié)這中結(jié)構(gòu)進行有限元分析。

圖4 鏈節(jié)有限元網(wǎng)格劃分模型Fig.4 Finite element mesh model of chain link

不考慮其他無關(guān)因素，鏈節(jié)在工作時鏈主要受拉力，鏈節(jié)的約束主要施加在鏈節(jié)的半圓面上，約束為鏈節(jié)間的全約束。由式(8)可知，每個鏈節(jié)上的力為155 kN，施加在鏈節(jié)的半圓面上，鏈節(jié)受力約束情況如圖5所示，其中紅色表示加于鏈節(jié)上的力，淺藍色表示加在鏈節(jié)上的位移約束。

通過有限元分析計算得到鏈節(jié)最大應(yīng)力為205 MPa，最大變形量為0.203 mm。如圖6、圖7所示為鏈節(jié)應(yīng)力云圖和變形云圖。

圖5 鏈節(jié)有限元載荷Fig.5 Finite element load model of chain link

圖6 鏈節(jié)等效應(yīng)力云圖Fig.6 Equivalent stress contours of chain link

圖7 鏈節(jié)變形云圖Fig.7 Equivalent strain contours of chain link

根據(jù)高溫金屬材料的性能、強度設(shè)計及工業(yè)應(yīng)用，HH型合金的屈服極限為515 MPa，高溫時安全系數(shù)取ns=2，因此，鏈節(jié)的高溫時許用應(yīng)力為257.5 MPa。由分析可知，鏈節(jié)應(yīng)力在材料應(yīng)力允許范圍內(nèi)。

3.2.2 鏈節(jié)受熱有限元分析

鏈節(jié)在鏈篦機傳動系統(tǒng)中運行，逐漸經(jīng)歷200～1 000 ℃的溫度變化。鏈節(jié)由于受熱而產(chǎn)生變形，從而會導(dǎo)致越齒、小軸彎曲等問題，布料不均也會導(dǎo)致輸送鏈受熱不均。因此有必要對鏈節(jié)進行熱分析，并分別在400 ℃、600 ℃、800 ℃、1 000 ℃四種情況下進行了分析，由于分析方法相同，本文僅給出400 ℃的分析過程，所有受熱變形量結(jié)果見表2。

圖8、圖9為鏈節(jié)在工作溫度400 ℃時的變形云圖和變形前后對比圖，鏈節(jié)在此情況下的最大變形量為1.497 mm。最大變形處為孔中心位置。

圖8 溫度400 ℃時鏈節(jié)變形圖Fig.8 Deformation diagram at 400 ℃

圖9 溫度400 ℃時鏈節(jié)變形前后對比圖Fig.9 Contrast diagram before and after chain link deformation at 400 ℃

溫度值/℃4006008001000最大變形/mm1.4972.2462.9953.743

隨著溫度的升高，鏈節(jié)孔中心變化位移逐漸增大，鏈節(jié)節(jié)距增大，小軸與鏈節(jié)配合間隙只有1 mm，溫度超過400 ℃以后，小軸間隙將會小于鏈節(jié)節(jié)距變化量，導(dǎo)致小軸受力不均，彎曲變形，輸送帶跑偏，從而導(dǎo)致越齒、跳齒。對此，除了使鏈篦床上的物料布料均勻，避免受熱不均，還可以將小軸與鏈節(jié)配合處的間隙改變?yōu)? mm，避免越齒。

3.2.3 鏈節(jié)改進分析

主要從兩個方面對鏈節(jié)進行改進：一方面是鏈節(jié)壁板與筋板相交處的圓角，另一方面是筋板的厚度。共有4種方案：鏈節(jié)壁板下面與兩側(cè)筋板相交圓角半徑為5 mm，筋板厚10 mm；相交圓角半徑為10 mm，筋板厚10 mm；相交圓角半徑為5 mm，筋板厚15 mm；相交圓角半徑為10 mm，筋板厚15 mm。4種方案的鏈節(jié)受力情況、載荷及約束的施加同分析原鏈節(jié)的方法相同。

3.3 實驗數(shù)據(jù)與分析

將原方案和4種改進方案的計算結(jié)果見表3，經(jīng)比較分析知，當(dāng)筋板厚度相同時，隨著筋板與壁板相交處圓角半徑增加時，鏈節(jié)所受應(yīng)力幾乎相同，鏈節(jié)最大變形量逐漸減小，但是應(yīng)力、變形量相差不大，從理論上來說，鏈節(jié)筋板厚度、倒角對應(yīng)力變化影響較弱，原尺寸是可行的。

表3 不同結(jié)構(gòu)尺寸的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

通過對鏈篦床鏈節(jié)材料的化學(xué)成分分析，表明材料選擇在理論上是可行的；再通過對鏈篦床鏈節(jié)的靜力學(xué)和熱力學(xué)有限元研究，將得到計算結(jié)果進行分析比較，證明鏈節(jié)的原結(jié)構(gòu)是基本可行的，但需要將小軸與鏈節(jié)配合間隙改變?yōu)? mm，以避免越齒。

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Analysis and optimization of large grate chain link

TIAN Guo-fu，GAO Feng，CHEN Jin-ming

(School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China)

The chain link is one of the key parts of the grate and there is high requirement for its strength under hing press and high temperature in processing. The FEA of chain link was carried out at two respects of its material and structure, then the distribution of stress and displacement were achieved. Several optimization projects were proposed to handle its defect and its reliability was executed with Ansys again, which provide effective reference basis for practical structure improvement of chain link. The failure reduced and the quality of entire equipment is ensured，which are verified in practice.

grate chain link; failure; FEM; strength analysis; stress distribution; displacement

2016-01-13；

2016-02-25

沈陽市科技創(chuàng)新專項資金-工業(yè)科技攻關(guān)專項(F15-040-2-00)

田國富(1968-)男，漢族，遼寧沈陽人，東北大學(xué)博士，沈陽工業(yè)大學(xué)教授，主要研究領(lǐng)域：CAD/CAE技術(shù)，數(shù)控技術(shù)與裝備，智能算法應(yīng)用，視覺檢測等。

TFO46

A

1001-196X(2016)06-0065-05