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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。由于在煤炭運輸中，刮板輸送機中部槽中板由于磨損導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，設計了一種新型刮板結構，如圖1所示。與原始設計相比，新設計的刮板在原有刮板的基礎上，在刮板兩側設計了一種穿越結構，通過穿越結構的彈性變形，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，對該新型刮板結構進行剛度和強度分析，結合相關計算結果進行了新舊結構的對比，并對新型刮板結構的優(yōu)勢進行了分析。
本文計算的刮板材質為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進行有限元網格劃分，由于幾何結構存在大量影響網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。因為刮板結構為對稱結構，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。對網格采用高階四面體單元進行構建，并選擇了表面應力改進單元，以提高對應力計算的精度。螺栓結構簡單，故采用高精度的高階六面體單元構建。
原始結構分為上下2部分，通過螺栓聯(lián)接。螺栓與上下結構采用Tie聯(lián)接的形式，以模擬螺栓對結構的聯(lián)接作用，在上下塊體之間不增加額外的聯(lián)接。
改進結構分為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)域也設置了Tie聯(lián)接。另外在穿越結構中設置了自接觸區(qū)域，以模擬當變形足夠大時所發(fā)生的接觸作用。
利用Hypermesh11采用1/2模型進行結構有限元分析，在中間邊界處設置對稱約束條件，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，結構最大變形為0.857 mm，沿刮板長度方向最大伸長0.232 mm，最大縮進0.194 mm。結構的最大等效應力532.9 MPa，應力最大區(qū)域為鏈條加載部位，最大拉伸應力為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，當達到84.53%時無法收斂，表明結構存在發(fā)生失穩(wěn)的可能性較大，對應的極限載荷為25359 N。
計算結果：結構最大變形為20.95 mm，沿刮板長度方向最大伸長8.577 mm，最大縮進13.00 mm。最大等效應力983.5 MPa，應力最大區(qū)域為穿越件薄弱部位，最大拉伸應力1171 MPa，同樣位于穿越件薄弱部位，同時，最大等效塑性應變?yōu)?.836%，結構進入顯著的彈塑性階段。
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