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珈岚梅
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1 第 39 卷增刊年 5月煤炭学报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Vol. 39 May Supp 张则荣,樊智敏,王永岩. 大型直线振动筛的疲劳寿命及可靠性分析[ J]. 煤炭学报,2014,39( S1) : doi: / j. cnki. jccs Zhang Zerong,Fan Zhimin,Wang Yongyan. Fatigue life and reliability analysis of large linear vibrating screen[ J]. Journal of China Coal Society,2014,39( S1) : doi: / j. cnki. jccs 大型直线振动筛的疲劳寿命及可靠性分析张则荣,樊智敏,王永岩 ( 青岛科技大学机电工程学院,山东青岛 ) 摘要:运用多轴疲劳分析的临界平面法对大型直线振动筛进行了疲劳寿命数值分析,利用电测法测得相似模型筛疲劳危险节点的动应变,并与仿真结果进行对比,验证分析结果的有效性和精确度运用应力 -强度干涉模型对振动筛的疲劳可靠性进行了预测计算,并分析了表面加工质量对振动筛疲劳可靠性的影响程度实验验证了数值分析结果的有效性和较高的精确度,结果表明大型直线振动筛整体结构的疲劳寿命能够达到预期设计寿命,但振动筛体的侧板横梁的局部位置疲劳可靠性较低关键词:大型直线振动筛;临界平面法;动应变;疲劳可靠性中图分类号:TD452 文献标志码:A 文章编号: (2014) S Fatigue life and reliability analysis of large linear vibrating screen ZHANG Ze-rong,FAN Zhi-min,WANG Yong-yan ( College of Electromechanical Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao ,China) Abstract:The critical plane approach of multiaxial fatigue analysis was used for calculating the fatigue life of the large linear vibrating screen. The dynamic strain of the critical area was measured using resistance strain gage in order to verify the simulation results. The fatigue reliability was analyzed using the stress-strength interference model and the influence of surface roughness of the structure was analyzed. The experimental results prove the validity and accuracy of the numerical analysis,the fatigue life of the whole structure is sufficient for working life expectation,but the reliability of local positions of the beam and sidewall is deficient and need redesign if necessary. Key words:large linear vibrating screen;critical plane approach;dynamic strain;fatigue reliability 随着工业的发展和大型煤矿的生产需要,振动筛性是未来发展的趋势,但由于缺乏更深入的理论研的应用越来越广泛,对振动筛的大型化和可靠性有了更高的要求 [1-3] 大型直线振动筛在整个服役期间经历高周疲劳循环,筛体结构上的微小改变就会对振究,国内生产的振动筛分设备的参数还不够精细化, 动筛的疲劳寿命产生较大的影响振动筛的给料量激振力等均随时间变化,工作环境极其恶劣,其在工作过程中不仅要受到物料的冲击,还受到煤泥水和介质液体等的侵蚀,这些因素均会导致振动筛的使用寿命降低 [4-6] 振动筛设备的大型化标准化和高可靠使用寿命较短,为了与国外同类产品相竞争,提高其使用寿命,加强大型直线振动筛的动态优化设计和高可靠性研究,具有重要的理论和现实意义 [7-9] 1 多轴疲劳分析的临界平面法在激振力作用下大型直线振动筛的主体结构实际上处于多轴应力状态,根据材料疲劳破坏参量,可收稿日期: 责任编辑:许书阁基金项目:国家高技术研究发展计划(863) 资助项目(2006AA04Z408-2) ;国家自然科学基金资助项目( ) 作者简介:张则荣(1975 ),男,山东青岛人,讲师,博士 cba1998@ 126. com 通讯作者:王永岩(1956 ),男,辽宁锦州人,教授,博士 wangyongyan168@ 163. com

258 煤炭学报 2014 年第 39 卷将疲劳破坏准则划分为 3 类 : 应力准则应变准则和能量准则 Brown 和 Miller 根据疲劳裂纹萌生和扩展的物理解释提出了一种多轴疲劳理论, 对延性金属材料给出与实际最相符合的寿命估计 [10] 目前广泛采用的多轴疲劳损伤模型是临界平面法临界平面法的思想 : 将每个位置处的应变分解到按某种规律变化的一系列平面上, 计算每个平面上的损伤,

预测精度既依赖于精确的有限元模型和应力应变响应的正确模拟, 又依赖于损伤模型的合理使用, 本文对大型直线振动筛的疲劳寿命计算即采用多轴疲劳分析的临界平面法不佳最后采用筛底加 2 条纵向加强梁的方式, 经试算显著提高了振动筛的疲劳寿命划分网格后的有限元模型如图 2 所示, 共划分有 19 874 个单元 60 996 个节点, 筛体材料的疲劳性能参数见文献 [12] 大型直线振动筛的

2 The finite element meshing model of the 27 m 2 linear vibrating screen 2 大型直线振动筛的疲劳寿命分析 2. 1 结构疲劳寿命分析所研究的大型直线振动筛的原型筛为筛面面积 27 m 2 的直线振动筛, 长 7. 5 m, 宽 3.

1 The prototype picture of the 27 m 2 linear vibrating screen 首先用有限元分析软件 ANSYS14.

2 258 煤炭学报 2014 年第 39 卷将疲劳破坏准则划分为 3 类 : 应力准则应变准则和能量准则 Brown 和 Miller 根据疲劳裂纹萌生和扩展的物理解释提出了一种多轴疲劳理论, 对延性金属材料给出与实际最相符合的寿命估计 [10] 目前广泛采用的多轴疲劳损伤模型是临界平面法临界平面法的思想 : 将每个位置处的应变分解到按某种规律变化的一系列平面上, 计算每个平面上的损伤, 以这些平面中的最小寿命作为该位置的寿命 [11] 对 Brown-Miller 准则, 使用 θ = 90 的平面和 θ = 45 的平面, 每个平面以 10 的间隔从 Φ = 0 旋转到 Φ = 180 扫描在每个面上, 剪切应变或正应变都采用雨流计数法, 计算每个循环的疲劳损伤, 使用 Miner 准则来计算节点的疲劳寿命, 所有面上的最短疲劳寿命作为节点的疲劳寿命进行疲劳寿命计算时, 预测精度既依赖于精确的有限元模型和应力应变响应的正确模拟, 又依赖于损伤模型的合理使用, 本文对大型直线振动筛的疲劳寿命计算即采用多轴疲劳分析的临界平面法不佳最后采用筛底加 2 条纵向加强梁的方式, 经试算显著提高了振动筛的疲劳寿命划分网格后的有限元模型如图 2 所示, 共划分有个单元个节点, 筛体材料的疲劳性能参数见文献 [12] 大型直线振动筛的 Von Mises 应力如图 3 所示, 然后将 ANSYS 分析的结果导入疲劳分析软件 FE-SAFE6. 2 进行疲劳分析, 显示疲劳分析结果云图并查看疲劳危险节点的疲劳寿命具体数值图 2 27 m 2 直线振动筛的有限元网格 Fig. 2 The finite element meshing model of the 27 m 2 linear vibrating screen 2 大型直线振动筛的疲劳寿命分析 2. 1 结构疲劳寿命分析所研究的大型直线振动筛的原型筛为筛面面积 27 m 2 的直线振动筛, 长 7. 5 m, 宽 3. 6 m, 如图 1 所示 27 m 2 直线振动筛主要由筛箱筛面同步电机带传动和橡胶弹簧支撑装置等组成其中筛箱由侧板后挡板支撑横梁加强梁各种加强筋等部件组成, 侧板与后挡板支撑横梁加强梁均采用高强度螺栓或环槽铆钉连接, 筛板铺设在支撑横梁上图 1 27 m 2 直线振动筛的原型实物照片 Fig. 1 The prototype picture of the 27 m 2 linear vibrating screen 首先用有限元分析软件 ANSYS14. 0 对大型直线振动筛进行有限元建模, 其中侧板横梁均为薄壳结构故采用 shell99 壳单元模拟, 用 combine14 弹簧 - 阻尼单元模拟支撑弹簧, 用点质量单元 mass21 模拟产生正弦激振力的偏心块, 用 beam188 梁单元模拟侧板上的加强筋, 被筛分物料重力载荷假设均匀分布在筛面上为提高振动筛的疲劳寿命, 分别采用增加侧板厚度改上横梁为矩形截面梁等措施, 结果显示效果均图 3 27 m 2 直线振动筛的 Von Mises 应力云图 Fig. 3 The Von Mises stress of the 27 m 2 linear vibrating screen 2. 2 疲劳分析结果按照大型直线振动筛的设计寿命, 振动筛正常使用时其疲劳极限应力循环次数应达到 10 9, 因此大型直线振动筛的疲劳破坏实质上属于煤水腐蚀环境下的高周疲劳破坏当加工结构件表面粗糙度为 16 < R a 40 μm 时应用疲劳分析软件 FE-SAFE 计算所得大型直线振动筛的对数疲劳寿命如图 4 所示由图 4 可知, 振动筛整体结构能够达到应力循环次数 10 9, 但在振动筛侧板与横梁的连接位置距激振器较近的侧板边缘下横梁中部存在应力循环次数小于 10 9 的危险局部区域图 4 27 m 2 直线振动筛的对数疲劳寿命云图 Fig. 4 The logarithm fatigue lives nephogram of the 27 m 2 linear vibrating screen

1,3 的动应变实验结果如图 6 所示, 数值仿真的对应节点 136,5 983 的动应变如图 7 所示 Fig. 5 图 5 试验模型筛的动应力测点布置 The stress test photos for similar vibrating screen 图 7 有限元模型筛对应节点 136,5 983 的动应变仿真曲线 Fig.

数值计算疲劳寿命模拟实际振动筛的疲劳寿命具有较高的精确度表 1 27 m 2 直线振动筛疲劳危险节点的疲劳寿命 Table 1 The weak fatigue lives of the 27 m 2 linear vibrating screen 测点对应节点测点寿命 n f 节点寿命 n f 1 136 3. 34 10 6. 4 3. 26 10 6. 5 2 983 7.

3 增刊 1 张则荣等 : 大型直线振动筛的疲劳寿命及可靠性分析疲劳寿命实验验证为了验证振动筛疲劳寿命数值分析的有效性和精确度, 采用相似试验模型筛实验测试疲劳危险节点位置的动应变, 与数值仿真结果进行对比验证, 根据疲劳危险节点决定测试 6 个关键点的动应力 [13] 其中侧板与支撑短横梁联接位置处分别取 3 个点, 其中 2 个点采用应变花, 上下横梁中点位置分别取 3 个点均采用应变片, 模型筛动应力测试的实验测点布置如图 5 所示, 其中测点 1,3 的动应变实验结果如图 6 所示, 数值仿真的对应节点 136,5 983 的动应变如图 7 所示 Fig. 5 图 5 试验模型筛的动应力测点布置 The stress test photos for similar vibrating screen 图 7 有限元模型筛对应节点 136,5 983 的动应变仿真曲线 Fig. 7 Dynamic strain curves of the 136 and node of the FEA screen model 础上的疲劳寿命对比见表 1, 测点寿命是根据实验测得的动应变数值利用疲劳分析软件计算得出, 而节点寿命是根据有限元模型利用疲劳分析软件 FE-SAFE 计算后提取得到可见二者疲劳寿命具有相似性, 数值计算疲劳寿命模拟实际振动筛的疲劳寿命具有较高的精确度表 1 27 m 2 直线振动筛疲劳危险节点的疲劳寿命 Table 1 The weak fatigue lives of the 27 m 2 linear vibrating screen 测点对应节点测点寿命 n f 节点寿命 n f 图 6 实验模型筛的测点 1 和 3 应变片的动应变 Fig. 6 Dynamic strain of the 1 and 3 testing point of the similar model screen 实验测试动应变呈现不稳定的非周期性变化误差, 分析原因认为主要是模型筛的尺寸缩比较大, 测试时由于模型筛尺寸较小, 故贴片位置可能存在偏差,4 组支撑弹簧刚度有偏差等但从平均意义上实验结果与数值仿真结果变化趋势一致, 二者的应力幅值接近总之, 系统误差和随机误差的存在及尺寸效应等使得实验与仿真的动应力差值较大, 但整体上基本在工程误差允许范围之内建立在实验与仿真基大型直线振动筛的疲劳可靠性分析 3. 1 疲劳可靠性的应力 - 强度干涉模型如图 8 所示, 设 X 为应力随机变量,Y 为强度随机变量,f(x) 为应力的概率密度函数,g( y) 为强度的概率密度函数,μ x 为应力分布的均值,μ y 为强度分布的均值零件和构件在投入运行前, 没有受到损伤, 以后在循环载荷的长期作用下, 强度逐渐降低, 应力与强度干涉面积逐渐增大

260 煤炭学报 2014 年第 39 卷面突变产生了应力集中在振动筛横梁上也存在着疲劳可靠性低的局部区域主要是因为横梁为薄壁圆管梁, 长径比大, 弯曲变形较大, 在振动筛筛分过程中, 横梁处于一种较复杂的多轴应力状态 Fig.

变量的母体标准差函数为强度随机变量 Y 采用威布尔分布, 其概率密度 b æ y - y g(y) = 0 ö y a - y 0 èy a - y 0 ø 式中,b 为形状参数 ;y a 为特征参数 ;y 0 为最小参数 b -1 e - y-y ( 0 y a -y 0 ) b (3) 将概率密度函数 f(x) 和 g(y) 代入式 (1) 就可以计算出 27 m 2

2 疲劳可靠性的预测计算当大型直线振动筛的目标寿命 ( 应力循环次数 N) 为 10 9 时, 根据应力 - 强度干涉模型可用 FE-SAS- FE 软件分析大型直线振动筛的疲劳可靠性当振动筛结构件的表面粗糙度为 16 <R a 40 μm 时大型直线振动筛的疲劳可靠度云图如图 9 所示由图 9 可知, 大型直线振动筛的主体疲劳可靠度均可达到 100%, 但在振动筛侧板

4 260 煤炭学报 2014 年第 39 卷面突变产生了应力集中在振动筛横梁上也存在着疲劳可靠性低的局部区域主要是因为横梁为薄壁圆管梁, 长径比大, 弯曲变形较大, 在振动筛筛分过程中, 横梁处于一种较复杂的多轴应力状态 Fig. 8 图 8 应力 - 强度干涉模型 The stress-strength interference model 对应于应力分布的可靠度 R 为 R = dr = - f(x)( g(y)dy)dx (1) 其中, 应力随机变量 X 采用正态分布, 其概率密度函数为 f(x) = x 1 σ 2π e - (x-μ) 2 2σ 2 (2) 式中,μ 为应力随机变量的母体均值 ;σ 为应力随机变量的母体标准差函数为强度随机变量 Y 采用威布尔分布, 其概率密度 b æ y - y g(y) = 0 ö y a - y 0 èy a - y 0 ø 式中,b 为形状参数 ;y a 为特征参数 ;y 0 为最小参数 b -1 e - y-y ( 0 y a -y 0 ) b (3) 将概率密度函数 f(x) 和 g(y) 代入式 (1) 就可以计算出 27 m 2 直线振动筛结构件的可靠度 3. 2 疲劳可靠性的预测计算当大型直线振动筛的目标寿命 ( 应力循环次数 N) 为 10 9 时, 根据应力 - 强度干涉模型可用 FE-SAS- FE 软件分析大型直线振动筛的疲劳可靠性当振动筛结构件的表面粗糙度为 16 <R a 40 μm 时大型直线振动筛的疲劳可靠度云图如图 9 所示由图 9 可知, 大型直线振动筛的主体疲劳可靠度均可达到 100%, 但在振动筛侧板横梁的个别局部区域存在可靠度小于 100% 的危险区域可靠度比较低的危险区域主要存在于 : 振动筛横梁与侧板的连接处侧板安装激振器位置的临近区域侧板不同厚度的交界处以及横梁的中部位置上述位置可靠度低的原因主要是 : 大型直线振动筛横梁与侧板的连接部位是激振器产生的激振力从侧板向横梁传递的连接点, 此处由于安装连接等原因存在明显的应力集中现象, 因此疲劳可靠性较低在距安装激振器位置较近的侧板边缘处由于受到较大的激振力且处于复杂的多轴应力状态因此也出现了疲劳可靠性较低的现象振动筛侧板不同厚度的交界处疲劳可靠性低的原因主要是由于交界处尺寸截图 9 表面粗糙度 16<R a 40 μm 时振动筛的疲劳可靠度云图 Fig. 9 The reliability nephogram for surface roughness 16<R a 40 μm 为了分析振动筛结构件的表面加工质量对其可靠度的影响, 分别对 8 种不同粗糙度等级下的 27 m 2 直线振动筛的疲劳可靠度进行了数值计算所得计算结果表明, 振动筛结构件表面的粗糙度对其疲劳可靠度的影响十分明显, 大型直线振动筛的表面粗糙度与疲劳可靠度 ( 危险节点 136) 的关系曲线如图 10 所示, 可见随着表面粗糙度的增加, 疲劳可靠度下降很快, 降幅较大据此可知大型直线振动筛的表面粗糙度值增大时对结构疲劳可靠性造成非常不利的影响, 因此在设计大型直线振动筛时应根据材料加工工艺及经济性等合理选择大型直线振动筛结构件的表面粗糙度等级, 以提高大型直线振动筛的疲劳可靠性图 10 大型直线振动筛的表面粗糙度与疲劳可靠度 ( 危险节点 136) 的关系曲线 Fig. 10 The reliability versus surface roughness( node 136) 4 结语运用多轴疲劳分析理论的临界平面法对大型直线振动筛进行了疲劳寿命数值分析, 得到了大型直线振动筛的对数疲劳寿命云图利用电测法测得相似模型筛疲劳危险节点的动应变并与仿真结果进行对比, 发现仿真结果与实验结果在变化规律及数值上均具有一致性, 建立在实验与仿真基础上的疲劳寿命具有相似性, 疲劳寿命的数值计算模拟实际振动筛的疲

5 增刊 1 张则荣等 : 大型直线振动筛的疲劳寿命及可靠性分析 261 劳寿命具有较高的精确度运用应力 - 强度干涉模型对大型直线振动筛的疲劳可靠性进行了预测计算, 结果表明大型直线振动筛的主体结构疲劳可靠度较高, 在振动筛横梁与侧板的连接处侧板安装激振器位置的临近区域底横梁的中部可靠度较低分析了表面加工质量对振动筛疲劳可靠性的影响程度, 分析结果表明大型直线振动筛整体的疲劳寿命能够达到设计寿命, 但振动筛体的侧板横梁的局部位置疲劳可靠度较低, 疲劳可靠性分析结果对大型振动筛的设计使用具有重要参考价值参考文献 : [1] 薛光辉, 赵国瑞, 朱世钢, 等. 基于金属磁记忆检测和涡流检测技术的大型振动筛下横梁裂纹检测方法 [ J]. 煤炭学报,2010, 35(7): Xue Guanghui, Zhao Guorui, Zhu Shigang, et al. Express detection method on the crack flaw of large vibrating screen lower beam based on metal magnetic memory testing and eddy current testing[ J]. Journal of China Coal Society,2010,35(7): [2] 王永岩, 邰英楼, 孙奇涵. 大型直线振动筛动态仿真的研究 [ J]. 计算力学学报,2001,18(1): Wang Yongyan,Tai Yinglou,Sun Qihan. Study on the dynamic simulation of the large linear vibration mesh[j]. Chinese Journal of Computational Mechanics,2001,18(1): [3] 贺孝梅, 刘初升, 张成勇. 超静定网梁激振结构大型振动筛动态特性 [J]. 煤炭学报,2008,33(9): He Xiaomei,Liu Chusheng,Zhang Chengyong. Dynamic characteristics of large hyperstatic network structure vibrating scree[ J]. Journal of China Coal Society,2008,33(9): [4] 王永岩, 张则荣. 振动筛试验模型和原型相似试验研究 [ J]. 机械工程学报,2011,47(5): Wang Yongyan, Zhang Zerong. Similarexperimental study of test model and prototype of vibrating screen[ J]. Journal of Mechanical Engineering,2011,47(5): [5] Jacques Steyn. Fatigue failure of deck support beams on a vibrating screen[j]. Int. J. Pres. Ves. & Piping,1995,61: [6] 刘初升, 冀连权, 魏群. 基于功率平衡的振动筛横梁动态分析 [J]. 中国矿业大学学报,2010,39(3): Liu Chusheng,Ji Lianquan,Wei Qun. Dynamic analysis of vibrating screen beam based on power balance[ J]. Journal of China University of Mining & Technology,2010,39(3): [7] 高镇同, 熊峻江. 疲劳 / 断裂可靠性研究现状与展望 [ J]. 机械强度,1995,17(3): Gao Zhentong, Xiong Junjiang. The present situation and prospects for the fatigue / fracture reliability study[ J]. Journal of Mechanical Steength,1995,17(3): [8] 赵永翔. 应变疲劳可靠性分析的现状及展望 [ J]. 机械工程学报,2001,37(11):1-6. Zhao Yongxiang. On the strain based fatigue reliability analysis[ J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2001,37(11):1-6. [9] 谢里阳, 周金宇, 李翠玲, 等. 系统共因失效分析及其概率预测的离散化建模方法 [J]. 机械工程学报,2006,42(1): Xie Liyang,Zhou Jinyu,Li Cuiling,et al. Common cause failure analysis and discretely modeling for system probability prediction [ J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering,2006,42(1): [10] Brown M W,Miller K J. A theory for fatigue failure under multiaxial stress-strain conditions [ J]. Proc. Inst. Mech. Eng., 1973, 187: [11] 李静, 孙强, 乔艳江, 等. 基于临界平面法的拉扭双轴疲劳寿命估算模型 [J]. 固体力学学报,2010,31(1): Li Jing, Sun Qiang, Qiao Yanjiang, et al. The biaxial fatigue life prediction model based on the critical plane approach under combined loading of tension and torsion[ J]. Chinese Journal of Solid Mechanics,2010,31(1): [12] 张则荣, 王永岩. 大型直线振动筛的疲劳寿命分析 [ J]. 青岛科技大学学报 ( 自然科学版 ),2012,33(1): Zhang Zerong,Wang Yongyan. Fatigue analysis of large linear vibrating screen [ J]. Journal of Qingdao University of Science and Technology( Natural Science Edition),2012,33(1): [13] 王永岩, 石甲斌, 张则荣. 直线振动筛相似模拟动应力研究 [J]. 实验力学,2012,27(2): Wang Yongyan,Shi Jiabin,Zhang Zerong. Dynamic stress study of a similarity simulation model for linear vibrating screen[ J]. Journal of Experimental Mechanics,2012,27(2):

中国公路学报年

中国公路学报年第卷第期年月中国公路学报孟瑾朱平胡志刚根据耐久性试验中常用的整车台架试验方法通过多体动力学模型仿真模拟整车在四轮路面激励下的运动状态提取车身与底盘连接位置的载荷历程采用有限元法分析动载荷作用下的车身结构响应基于传统的应力寿命方法方法寻找车身薄弱环节辨识危险零件应力双轴性并选择多轴疲劳损伤参量预测车身疲劳寿命分析结果表明结合多体动力学与多轴疲劳的寿命