基于HyperWorks软件的通过预拉伸提高矿用链条疲劳寿命的研究

白玉峰，李春飞，姚礼志

（1.中煤张家口煤矿机械有限责任公司；2.河北省高端智能矿山装备技术创新中心，河北 张家口 076250）

1 前言

近年来，随着国内外政治经济形势的变化，中央再次确定了以煤炭为主的能源格局。煤机企业响应政策，不断提高矿用装备技术水平。

矿用高强度链条是刮板输送机的重要零部件。输送机机头链轮、机尾链轮链条共同组成了输送机的运输系统。链条工况恶劣，受力很大，时常出现链环断裂，输送机停机的现象。

经过从现场照片分析（图1），失效的部位基本都处于链环肩部45°角度处，经过有限元软件静力学分析，失效的位置与应力最大处吻合，但问题是，分析显示此处并未达到材料的破断极限，甚至都没有超过材料的屈服极限。

结合链条工作条件，其工作过程是链条围绕着机头和机尾2个链轮进行环形运动，故其虽然并未达到断裂极限，但是由于周期力的作用，材料疲劳亦会造成其失效。从现场失效的链环照片观察，在断裂端口附近可以发现疲劳裂纹。故此，如何提高链环的疲劳寿命成为了首要问题。

提高疲劳寿命首要办法就是降低关键部位的应力，根据应力—疲劳寿命曲线，疲劳寿命和疲劳应力呈反比非线性关系。少许降低应力，可以大幅度提升寿命。由

于圆环链的制造工艺是一根铁棒围弯形成的，故无法从外形结构上进行降低应力的优化，所以，问题要在制造工艺上解决。

一般认为，疲劳失效和拉应力有关，和压应力无关。本文提出通过预拉伸工艺增加内部压应力从而抵抗实际工况下的拉应力的方法。下文将对此进行有限元方法的分析和验证。

2 链环正常工况下的有限元分析

本文采用48-152型圆环链进行分析。此链环采用材料是23MnNiMoGr54，直径为48mm的圆棒料制作，截距为152mm。环链环在正常工况下，其材料基本不会进入塑性状态，但是为了验证的严密性，仍然采用非线性分析。

2.1 有限元模型的建立及工况加载

本文使用HyperWork软件进行研究。整体模型为单个链环的八分之一，采用ton-mm-s-N-MPa单位制。基于HyperWork软件强大的网格划分功能，模型采用六面体网格划分，网格大小为3mm。链环材料密度为杨 氏 模 量 是泊 松 比 为0.3，屈服应力1200MPa，应变硬化参数为1000MPa。

2.2 工况加载

由于是对称分析，在模型的切面上加载法向方向的位移约束，在链环接触的位置加载力。根据GB/T12718《矿用高强度圆环链》，此48链环正常工况下受力最大为905KN。由于模型为1/8模型，所以加载的力为1/4。此力均分在24个接触单元上，边界处节点加载为面节点的1/2。如图2所示。

2.3 结果显示

根据结果所示，整体变形最大部位在链环接触处，为0.7mm，应力最大部位在链环的内圈肩膀处，为1000MPa，距离1200MPa的屈服极限还有一定距离（图3）。

3 链环预拉伸及正常工况下的有限元分析

此过程为非线性过程，分为3个步骤，具有先后顺序。第一步，给链环加载一个比较大的力，此力可导致链环应力最大的部位进入非线性变形阶段。第二步，给链环卸载，此时有一部分材料已经进入非线性变形阶段，无法恢复，而线性变形的材料又有回弹至初始状态的趋势，此过程会导致线性变形的材料给予非线性变形材料压应力。第三步，加载正常工况力。此时，链环变形首先抵消链环内圈肩部的压应力，压应力抵消为0后，才会继续产生拉应力，此时的拉应力小于未经预拉伸之后的拉应力。由于拉应力的减小，根据应力—疲劳寿命曲线，材料的疲劳寿命将会呈非线性大幅度提高。

3.1 模型建立

此模型建立与上文参数一致。

3.2 工况加载

第一步：切面加载法向方向的位移约束，链环接触位置加载能够引起材料非线性应变的力，此力在实验阶段不宜引入太大，刚好能够导致塑性形变即可，目前实验引入的力为1400kN。

第二步：单独在切面加载法向方向的位移约束，不加载力。

第三步：切面加载法向方向的位移约束，在链环接触位置加载工作拉力。

3.3 结果显示

根据结果显示，第一步完成后，链环内圈肩部最大应力为1236kN，超过屈服应力，进入屈服状态，且有很大部分材料进入塑性；第二步卸载完成后，此位置产生了300MPa左右的残余应力；再加载正常工作拉力后，此位置的应力为820MPa。通过和直接加载工作应力的工况相比，此位置应力下降了180MPa，说明用此种方法减少关键部位的应力是可行的（图4～6）。

4 最佳预拉伸量的分析与预测

上述分析，说明了对链环采用预拉伸的方法降低关键部位应力的方法是可行的。但是如果预拉伸量太小，进入屈服状态的材料太少，变形量太小，产生的压应力也相对小；可是如果预拉伸量太大，大部分材料均进入屈服，弹性材料减少，回弹的力也会减小。具体预拉伸的量是多少才能最大的产生最大的效果，需要通过加载不同的预拉伸力，进行一系列的仿真分析，从而确定最优值（表1）。

表1 不同预拉量效果

5 结语

通过上述分析，充分说明了通过材料预拉伸产生残余应力的方法来减小工件关键部位应力的方法是可行的。通过目前现有的材料参数，可预测矿用高强度48～152链环在上文预拉伸试验7，即预拉伸力1500kN，产生预拉伸量4.2mm（半环2.1mm）左右，可以达到最优的效果。