工作面刮板輸送機(jī)中部槽間的啞鈴連接銷（以下簡稱啞鈴），在輸送機(jī)移動過程中要承受巨大的拉力，它的斷裂將直接影響到工作面的正常生產(chǎn)，因此，啞鈴的設(shè)計(jì)計(jì)算一直是刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。以前我們只是通過理論分析及公式計(jì)算來獲得設(shè)計(jì)依據(jù)，本文運(yùn)用PTC公司的PRO/ENGINEER(以下簡寫為PRO/E)模塊建立啞鈴的實(shí)體模型，并根據(jù)啞鈴在工作面輸送機(jī)實(shí)際運(yùn)行中的受力情況，運(yùn)用PRO/MECHANICA(以下簡寫為PRO/M)模塊對啞鈴進(jìn)行強(qiáng)度、疲勞及變形量的分析研究，從而獲得更直觀準(zhǔn)確的分析結(jié)果。
一、啞鈴的受力分析
  刮板輸送機(jī)中部槽之間靠啞鈴連接，允許輸送機(jī)沿縱向有一定量的移動，水平和垂直方向有一定量的偏轉(zhuǎn)。正常采煤作業(yè)時，采煤機(jī)騎在輸送機(jī)上，沿輸送機(jī)向一個方向前進(jìn)割煤，而在其后，輸送機(jī)在支架推力作用下向煤壁方向橫向推進(jìn)一個滾筒截深，即一個推進(jìn)步距，為采煤機(jī)反向割煤做準(zhǔn)備。在輸送機(jī)橫移過程中，開始由一節(jié)中部槽構(gòu)成小“S”彎，隨后發(fā)展擴(kuò)大到由推移步距和輸送機(jī)自身結(jié)構(gòu)確定的一定節(jié)數(shù)的中部槽構(gòu)成的大“S”彎，形成彎曲段。
    決定輸送機(jī)橫向推移彎曲段槽間連接受力的因素很多，如溜槽長度、槽間水平允許轉(zhuǎn)角、推移步距、橫向推移阻力和推溜架型等。在支架推移過程中，隨推移行程增大，彎曲段不斷加長，推移阻力也在增大，因而推移過程也是支架推力增大的過程，到達(dá)終點(diǎn)時支架對輸送機(jī)作用力最大，作用在彎曲段槽間連接啞鈴和槽幫啞鈴座上的力也達(dá)到最大，此時啞鈴受拉。將彎曲段上支架橫向推溜力產(chǎn)生的彎矩和橫向力與阻力產(chǎn)生的彎矩和橫向力疊加，就可以計(jì)算出彎曲段上槽間各連接點(diǎn)處的彎矩和橫向力。
二、實(shí)體模型的建立
    以3×700kW的輸送機(jī)中部槽啞鈴為例，首先明確該零件的信息模型內(nèi)涵，并對特征進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，然后利用PRO/E模塊提供的特征類型進(jìn)行建模。下面簡單介紹一下啞鈴的造型過程。
   1)確定分模面和拔模斜度。由于啞鈴為鍛件，選擇合理的分模面是毛坯鍛造的第一步，所以造型過程也應(yīng)最先確定分模面和拔模斜度。
   2)采用“旋轉(zhuǎn)”的方法，生成初樣模型。
   3)采用“剪切材料”的方法，獲得所需要的特征。
   4)采用“拔模”的方法，對需要拔模的面進(jìn)行拔模。
   最終得到可以進(jìn)行分析的啞鈴實(shí)體模型，如圖2所示。
三、有限元的前處理
  將上面的實(shí)體模型導(dǎo)入PRO/M模塊，進(jìn)行有限元分析的前置處理，步驟如下：
  1)打開PRO/E模型，連接人PRO/M模塊。
  2)在該模塊下定義模型的材料為30CrMnTi，ab=1450MP。
  3)約束和載荷的確定：由于在實(shí)際工作中，啞鈴承受軸向拉力，兩端內(nèi)側(cè)是防止軸向移動的主要受力面，故可約束其一端，而在另一端內(nèi)側(cè)施加軸向載荷360t。
    4)采用實(shí)體單元網(wǎng)格劃分模型，網(wǎng)格的生成以啞鈴的三維立體模型為基礎(chǔ)，PRO/M會根據(jù)選擇的單元類型自動劃分，處理數(shù)據(jù)如下：
    Points：    572
    Edges:    2637
    Faces：    3640
    Springs:    0
    Masses：    0
    Beams:    O
    Shells:    0
    Solids:    1574
    Elements：    1574
結(jié)果如圖3所示。
    從上述數(shù)據(jù)可以看出，最大應(yīng)力值1258MPa，最大變形4.97mm，應(yīng)力集中處在啞鈴內(nèi)側(cè)與啞鈴座接觸部位，說明該啞鈴滿足使用要求，并能保證在異常情況下啞鈴座的安全。
五、疲勞分析
    輸送機(jī)在移動過程中，每節(jié)中部槽上的兩個啞鈴一個受拉，另一個不受力。因此，啞鈴為脈動循環(huán)，即循環(huán)特性r=0。在循環(huán)載荷的反復(fù)作用下，每次應(yīng)力都會達(dá)到這一數(shù)值，這樣就形成了以啞鈴兩端受拉，放松，再受拉，再放松的情形。因此，在進(jìn)行分析時確定N=105為一個周次。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在啞鈴與啞鈴座接觸部位Confidence of life(該值越大，表明疲勞壽命可信度越高)系數(shù)最低，數(shù)值=1，如圖6所示，圖中發(fā)亮區(qū)域是疲勞段。而疲勞裂紋最先可能出現(xiàn)在啞鈴與啞鈴座接觸部位，即圖7中的發(fā)亮條紋，當(dāng)疲勞達(dá)到一定程度時，該處首先開始產(chǎn)生疲勞裂紋，進(jìn)而發(fā)生斷裂。目前世界范圍內(nèi)工作面走向長度最大在6000m左右，采煤機(jī)切割一次的推進(jìn)距離是0.85m。這樣，一個工作面下來啞鈴承受6000÷0.85=7056次循環(huán)作用力，而計(jì)算的壽命循環(huán)次數(shù)為10萬次，這樣足以保證安全使用周期。
六、結(jié)語
    刮板輸送機(jī)的壽命一般是用中部槽在運(yùn)煤磨損失效前的過煤量來衡量的，因而中部槽的槽問連接在輸送機(jī)的壽命期間內(nèi)不應(yīng)發(fā)生失效，以避免不應(yīng)有的壽命下降。中部槽的槽間連接失效往往發(fā)生在支架拉架特別是推溜時，過大的拉力造成啞鈴或啞鈴座的斷裂。準(zhǔn)確地分析研究啞鈴的強(qiáng)度、疲勞及變形，可為啞鈴及槽幫的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。