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刮板是刮板輸送機的重要零部件之一，刮板與鏈條組成刮板鏈，是刮板輸送機的牽引機構(gòu)。由于在煤炭運輸中，刮板輸送機中部槽中板由于磨損導(dǎo)致軌道無法保證平直，加之煤炭等對刮板滑動的影響，因此刮板與鏈道間存在卡澀現(xiàn)象，如果加大傳動功率容易造成鏈條的疲勞斷鏈。
為解決卡澀問題，設(shè)計了一種新型刮板結(jié)構(gòu)，如圖1所示。與原始設(shè)計相比，新設(shè)計的刮板在原有刮板的基礎(chǔ)上，在刮板兩側(cè)設(shè)計了一種穿越結(jié)構(gòu)，通過穿越結(jié)構(gòu)的彈性變形，提供對卡澀的克服作用。本文利用Hypermesh軟件，采用有限元分析的方法，對該新型刮板結(jié)構(gòu)進行剛度和強度分析，結(jié)合相關(guān)計算結(jié)果進行了新舊結(jié)構(gòu)的對比，并對新型刮板結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢進行了分析。
本文計算的刮板材質(zhì)為42CrMo，彈性模量200GPa，泊松比0.3。計算中考慮了材料的彈塑性力學(xué)行為，屈服強度940 MPa，強度極限1080 MPa，延伸率12%。
采用Hypermesh進行有限元網(wǎng)格劃分，由于幾何結(jié)構(gòu)存在大量影響網(wǎng)格劃分的瑣碎曲面和線條，因此需要對三維模型進行幾何清理，對不必要的幾何特征進行抑制，并人工補全不完整信息。因為刮板結(jié)構(gòu)為對稱結(jié)構(gòu)，為了減少計算工作量，采用1/2模型進行建模和計算。刮板的網(wǎng)格模型如圖2所示。
計算模型信息如表1所示，采用ABAQUS6.10軟件進行有限元計算。對網(wǎng)格采用高階四面體單元進行構(gòu)建，并選擇了表面應(yīng)力改進單元，以提高對應(yīng)力計算的精度。螺栓結(jié)構(gòu)簡單，故采用高精度的高階六面體單元構(gòu)建。
原始結(jié)構(gòu)分為上下2部分，通過螺栓聯(lián)接。螺栓與上下結(jié)構(gòu)采用Tie聯(lián)接的形式，以模擬螺栓對結(jié)構(gòu)的聯(lián)接作用，在上下塊體之間不增加額外的聯(lián)接。
改進結(jié)構(gòu)分為4個部分，同樣采用Tie的方式通過螺栓進行聯(lián)接。另外由于穿越件需要與上塊體進行可考慮聯(lián)接，因此在二者之間的貼合區(qū)域也設(shè)置了Tie聯(lián)接。另外在穿越結(jié)構(gòu)中設(shè)置了自接觸區(qū)域，以模擬當(dāng)變形足夠大時所發(fā)生的接觸作用。
利用Hypermesh11采用1/2模型進行結(jié)構(gòu)有限元分析，在中間邊界處設(shè)置對稱約束條件，在鏈條拉動的部位加載載荷，計算中滿載為30000 N（1/2模型），對滑動部位的頂點進行法向限位，在滑動部位的前端進行滑動方向限位，如圖所示。
如圖所示，在所給定的約束和載荷情況下，結(jié)構(gòu)最大變形為0.857 mm，沿刮板長度方向最大伸長0.232 mm，最大縮進0.194 mm。結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力532.9 MPa，應(yīng)力最大區(qū)域為鏈條加載部位，最大拉伸應(yīng)力為529.7 MPa，位置位于鏈條擠壓區(qū)域的對面。
如圖所示，在所給定的約束和載荷情況下，采用Newton迭代法進行材料非線性和幾何非線性計算，當(dāng)達到84.53%時無法收斂，表明結(jié)構(gòu)存在發(fā)生失穩(wěn)的可能性較大，對應(yīng)的極限載荷為25359 N。
計算結(jié)果：結(jié)構(gòu)最大變形為20.95 mm，沿刮板長度方向最大伸長8.577 mm，最大縮進13.00 mm。最大等效應(yīng)力983.5 MPa，應(yīng)力最大區(qū)域為穿越件薄弱部位，最大拉伸應(yīng)力1171 MPa，同樣位于穿越件薄弱部位，同時，最大等效塑性應(yīng)變?yōu)?.836%，結(jié)構(gòu)進入顯著的彈塑性階段。
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