化罗昊
河北港口集团港口机械有限公司
摘 要：取料机悬皮驱动凸缘联轴器断裂会造成驱动平台坍塌，安全隐患严重。通过有限元应力分析，优化了凸缘联轴器的结构设计，减少结构的应力集中，并通过材料和加工工艺的改进提升了新联轴器的疲劳强度，避免断裂事故的发生，保障生产安全。
关键词：取料机； 凸缘联轴器； 有限元分析； 优化设计
秦港煤五期取料机悬皮驱动通过凸缘联轴器将减速机输出轴与驱动滚筒轴进行硬连接，整个驱动平台通过铰支座型式固定在回转平台上。随着作业量的逐年升高，出现了凸缘联轴器突然断裂造成整个驱动平台坍塌的重大险情。联轴器发生断裂，不仅严重影响生产，也造成了极大的安全隐患。悬皮驱动由6 000 V高压供电，平台坍塌有高压电打火风险；重达7.67 t的平台坍塌会危及周围人员的人身安全。提高联轴器使用寿命，消除断裂隐患，对实现安全生产至关重要。
对原联轴器进行结构分析，找到最大应力和危险截面。通过计算分析、结构优化、工艺改进等多项技术措施，将联轴器强度提高到安全水平，并通过现场运行检验是否运转正常，平日检查关注表面是否有微小裂纹，以确定是否消除了断裂隐患(见图1)。
3.1 原联轴器仿真结构分析。
首先对原联轴器的结构进行有限元结构仿真分析，并探寻薄弱点，寻找原联轴器是否存在缺陷。联轴器实体建模与网格划分见图2。
图1 项目总体思路图
图2 原联轴器实体建模与网格划分
为方便施加载荷，采用半轴施加重力载荷，对联轴器螺栓孔位置施加约束，对联轴器施加扭矩载荷。约束及载荷见图3。
图3 约束及载荷示意图
根据有限元分析结果(见图4)，可以得到以下2个结论。
图4 计算结果图解显示
(1) 联轴器所受最大应力为379.4 MPa，未超过材料的许用应力σ=620 MPa，可认定发生断裂类型为交变应力作用下的疲劳断裂。
(2) 定位内止口位置不合理造成了联轴器易断截面积变小，且存在应力集中，强度不足。因此在实际设计和制造中，为延长联轴器的使用寿命，对定位止口进行一定的改进是十分必要的。
3.2 新联轴器设计
3.2.1 结构设计
为消除定位止口对联轴器强度影响，将定位止口上延(见图5)，消除应力集中影响，同时将法兰盘厚度增厚6.5 mm，增大危险截面的横截面积(见图6)，定位止口处的应力集中现象得到了极大的改善。
3.2.2 新联轴器结构有限元分析
通过对新联轴器进行有限元建模和应力分析可得：
(1) 根据图7应力计算结果，新联轴器最大应力已降低到 190.6 MPa，与原联轴器相比下降了至少49.7%。
a) 原联轴器 b) 新联轴器
图5 原联轴器与新联轴器止口形式对比
a) 原法兰厚度 b) 新法兰厚度
图6 原联轴器与新联轴器法兰厚度对比
图7 新联轴器应力分析图
(2) 定位止口危险截面的应力集中现象得到了消除，联轴器整体强度性能得到了优化，避免了薄弱点对整体结构的强度影响。
3.3 材料改进
3.3.1 疲劳裂纹成因分析
根据断裂力学理论，实际材料和结构中都存在裂纹，一系列低应力脆断的事故案例说明仅依靠理论计算是无法保证无限寿命的。因此应对材料成型工艺进行改进，消除材料的各种缺陷及微小裂纹，提高材料的疲劳极限。
从微观角度分析，材料在交变应力作用下，滑移带在晶界上引起的应变不断增加，在晶界前产生位错塞积。当位错塞积形成的应力达到理论断裂强度时，晶界开裂形成裂纹。材料的晶粒尺寸愈大，晶界上的应变愈大，位错塞积群愈大，应力集中愈高，愈易形成裂纹。若使晶粒细化则能推迟疲劳裂纹的形成。
3.3.2 材料工艺改进
(1) 采用锻造工艺。原始材料中晶粒粗大会使材料的塑形和韧性降低，疲劳性能明显下降。锻造过程中由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的再结晶组织，改善了材料的组织结构和力学性能。
(2) 提高表面质量。
表面粗糙度对材料表面的微小裂纹也有着重要影响，表面粗糙度越低，表面质量系数越高，材料的疲劳极限也就越高。因此对联轴器的外表面进行了打磨处理，降低表面粗糙度，减少微观表面的应力集中，提高结构的持久极限。
利用有限元软件进行结构仿真分析，较精确地掌握联轴器各点的应力情况，并进行结构优化设计，使新联轴器应力至少下降了49.7%，危险截面的应力得到了极大的改善。同时通过工艺改进，提高了材料疲劳极限，尽可能地减小了加工对联轴器强度的影响。通过对联轴器整体强度的提升，解决了固定铰支座型悬皮驱动站联轴器断裂隐患。
化罗昊： 066000，河北省秦皇岛市海港区开滦路5号
Optimization Design of Hanging Flange-coupling of Reclaimer
Hua Luohao
Hebei Port Group Port Machinery Co., Ltd.
Abstract：The fracture of hanging driving flange coupling of the reclaimer will cause the driving platform to collapse, which can lead to a the safety hazard. By the finite element stress analysis, the structural design of the flange-coupling is optimized to reduce the stress concentration. Through the improvement of material and processing technology, the fatigue strength of the new coupling is enhanced, and the occurrence of fracture is avoided, from which the production safety is ensured.
Key words：reclaimer; flange-coupling; finite element analysis; optimization design
收稿日期：2016-12-10
DOI：10.3963/j.issn.1000-8969.2017.02.011
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