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[摘 要] 牵引链轮是采煤机工作过程中的关键部件，它的寿命和强度对于整机的安全可靠性运行具有重要的作用。本文运用Pro/E下集成模块“结构”有限元分析模块，对牵引链轮的静强度进行分析，得到了牵引链轮表面的应力和应变数值，确定其危险区域，最后进行疲劳可靠性分析，得出牵引链轮的疲劳可靠性水平，为采煤机的整体设计提供一定的参考价值。
[关键词] 牵引链轮；Pro/E；有限元分析；疲劳分析
0. 引言
采煤机结构非常复杂，并且其工作条件恶劣、多变，导致此类产品在实际使用中出现多种失效问题，疲劳破坏是结构和机械失效的主要形式之一，因而开展疲劳研究有着重要的意义，疲劳可靠性也是产品的一个重要性能指标。而近年来的研究表明，机械零部件的疲劳是由于其内部局部应力集中区域内产生循环塑性应变所造成的，因此要合理地预测零部件的疲劳可靠性，必须对载荷时间历程或局部应力、应变历程进行统计处理，从而进行损伤计算，完成疲劳可靠性估算。
牵引链轮是采煤机牵引部的执行机构，是采煤机易发生疲劳破坏的关键部件之一，一旦出现问题将导致整个采煤机停止运行，严重影响采煤机的正常工作，所以研究牵引链轮的疲劳可靠性对提高采煤机整机工作可靠性是十分必要的。
1. 相关理论基础
1.1 分析软件简介
Pro/MECHANICA Structure是集静态和动态结构分析于一体的Pro/E的有限元分析模块，能够模拟真实的环境，为模型施加约束及载荷，测算模型的应力、应变和位移等参数，实现静态、疲劳、频率等分析；通过制定设计参数，还能够在给定变化范围内进行敏感度分析，并借助优化分析为模型寻找到最佳的参数。Pro/MECHANICA Structure把有限元分析和结构疲劳计算有机地统一起来，在初期设计阶段就可以对产品进行疲劳强度进行估算，缩短开发的周期，降低设计成本；并在运营阶段可以随时对产品剩余疲劳强度进行校核与控制。
1.2 疲劳可靠性寿命分析流程
用有限元进行估算疲劳可靠性寿命一般分为两步，第一步是根据载荷和几何结构计算应力应变历史，这是有限元分析的主要任务；第二步是根据得到的应力应变响应，结合结构材料性能参数及结构件承受的载荷历程，运用疲劳损伤模型进行可靠性寿命估算。对于Pro/E有限元模块的“结构”来说，需要三个方面的基本信息才能提交疲劳分析作业，即材料的疲劳参数、疲劳载荷的信息及结构的几何特征。结构的几何特征实际上是指利用有限元获得的局部应力信息。具体的分析流程图如图1所示。
2. 牵引链轮的疲劳可靠性分析
2.1 在Pro/MECHANICA Structure下进行静强度分析
本文选用成庄矿使用数量最多的采煤机MG450/1020-WD为研究对象，用三维建模软件Pro/E，建立牵引链轮的三维模型，导入到Pro/MECHANICA Structure下进行有限元分析。定义单元属性，接着进行网格划分如图2、3所示。在链轮的中心孔上施加固定约束，根据动力学模型下链轮受力最大时的接触区域，在此区域施加载荷，全部的设置完成之后，通过求解及运算，快速确定牵引链轮的危险区域。图4、5为牵引链轮的等效应力和主应变云图，从图中可以知道，受力齿的齿根处是最危险的区域，最大的应力为500.9MPa，最大的应变为2.44310-3。
2.2 对牵引链轮进行疲劳可靠性分析
疲劳可靠性寿命定义为由于循环载荷导致裂纹产生及扩展，最后因裂纹导致构件最终被破坏。结构疲劳分析是对在各种简单或复杂载荷条件（载荷循环）下的设计结构强度进行评估的工具。疲劳分析结果以等高线图显示出来，表示结构在产生裂缝前周期循环的持续时间。
通过应力或应变时间关系曲线，疲劳分析可以用损害累积方法来估算结构的疲劳寿命，进行估算时，首先将数据处理成峰顶或峰谷，接着计算循环周期，进而计算出疲劳可靠性寿命。
牵引链轮在进行静强度或动强度分析后，取出有限元分析应力、应变结果，输入到Pro/MECHANICA Structure的疲劳分析模块进行分析，在这个模块中定义疲劳载荷、材料疲劳特性，选择适宜的疲劳准则，综合多种影响因素，按照累积损伤理论及雨流计数，根据应力或应变进行疲劳寿命计算。在这个过程中，主要是应用全寿命曲线S-N来计算。疲劳分析的结果如图6、7所示，从图中可以得出，链轮最小得疲劳寿命出现在齿根部，为81000次，不到100000次，安全系数为0.95，与实际生产过程的结果基本一致。
3. 结论
(1) 疲劳可靠性寿命计算的最可靠方法是疲劳试验，然而进行疲劳试验耗资费时，做完实验后试件就已经破坏，同时，结构疲劳寿命同试件尺寸的大小、试验的环境有关系。通过Pro/MECHANICA Structure软件对牵引链轮进行疲劳可靠性分析，可以弥补试验方面的不足，而且在设计阶段就能够进行分析。
(2) 经过疲劳分析的结果可以得出，牵引链轮的最薄弱环节在受力齿的齿根部，这与实际生产中出现的疲劳断裂事故是相吻合的。
(3) 本文疲劳可靠性分析方法不仅可以对牵引链轮进行分析，对采煤机的其它零部件同样也可以采取此方法进行疲劳分析。
参考文献：
[1] 祝凌云，李斌. Pro/ENGINEER运动仿真及有限元分析[M].北京：人民邮电出版社，2004.
[2] 博创设计坊. Pro/ENGINEER Wildfire 4.0机械装配和动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2008.
[3] 高镇同，雄峻江. 疲劳可靠性分析[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.
[4] 赵永翔.基于应变疲劳可靠性分析新方法[J].机械工程学报，2002，38(1)：26-28.
作者简介：
李刚，男，1981年7月生，2009年太原理工大学机械设计及理论专业硕士研究生毕业，助理工程师，晋煤集团成庄矿机电管理科。
[关键词] 牵引链轮；Pro/E；有限元分析；疲劳分析
0. 引言
采煤机结构非常复杂，并且其工作条件恶劣、多变，导致此类产品在实际使用中出现多种失效问题，疲劳破坏是结构和机械失效的主要形式之一，因而开展疲劳研究有着重要的意义，疲劳可靠性也是产品的一个重要性能指标。而近年来的研究表明，机械零部件的疲劳是由于其内部局部应力集中区域内产生循环塑性应变所造成的，因此要合理地预测零部件的疲劳可靠性，必须对载荷时间历程或局部应力、应变历程进行统计处理，从而进行损伤计算，完成疲劳可靠性估算。
牵引链轮是采煤机牵引部的执行机构，是采煤机易发生疲劳破坏的关键部件之一，一旦出现问题将导致整个采煤机停止运行，严重影响采煤机的正常工作，所以研究牵引链轮的疲劳可靠性对提高采煤机整机工作可靠性是十分必要的。
1. 相关理论基础
1.1 分析软件简介
Pro/MECHANICA Structure是集静态和动态结构分析于一体的Pro/E的有限元分析模块，能够模拟真实的环境，为模型施加约束及载荷，测算模型的应力、应变和位移等参数，实现静态、疲劳、频率等分析；通过制定设计参数，还能够在给定变化范围内进行敏感度分析，并借助优化分析为模型寻找到最佳的参数。Pro/MECHANICA Structure把有限元分析和结构疲劳计算有机地统一起来，在初期设计阶段就可以对产品进行疲劳强度进行估算，缩短开发的周期，降低设计成本；并在运营阶段可以随时对产品剩余疲劳强度进行校核与控制。
1.2 疲劳可靠性寿命分析流程
用有限元进行估算疲劳可靠性寿命一般分为两步，第一步是根据载荷和几何结构计算应力应变历史，这是有限元分析的主要任务；第二步是根据得到的应力应变响应，结合结构材料性能参数及结构件承受的载荷历程，运用疲劳损伤模型进行可靠性寿命估算。对于Pro/E有限元模块的“结构”来说，需要三个方面的基本信息才能提交疲劳分析作业，即材料的疲劳参数、疲劳载荷的信息及结构的几何特征。结构的几何特征实际上是指利用有限元获得的局部应力信息。具体的分析流程图如图1所示。
2. 牵引链轮的疲劳可靠性分析
2.1 在Pro/MECHANICA Structure下进行静强度分析
本文选用成庄矿使用数量最多的采煤机MG450/1020-WD为研究对象，用三维建模软件Pro/E，建立牵引链轮的三维模型，导入到Pro/MECHANICA Structure下进行有限元分析。定义单元属性，接着进行网格划分如图2、3所示。在链轮的中心孔上施加固定约束，根据动力学模型下链轮受力最大时的接触区域，在此区域施加载荷，全部的设置完成之后，通过求解及运算，快速确定牵引链轮的危险区域。图4、5为牵引链轮的等效应力和主应变云图，从图中可以知道，受力齿的齿根处是最危险的区域，最大的应力为500.9MPa，最大的应变为2.44310-3。
2.2 对牵引链轮进行疲劳可靠性分析
疲劳可靠性寿命定义为由于循环载荷导致裂纹产生及扩展，最后因裂纹导致构件最终被破坏。结构疲劳分析是对在各种简单或复杂载荷条件（载荷循环）下的设计结构强度进行评估的工具。疲劳分析结果以等高线图显示出来，表示结构在产生裂缝前周期循环的持续时间。
通过应力或应变时间关系曲线，疲劳分析可以用损害累积方法来估算结构的疲劳寿命，进行估算时，首先将数据处理成峰顶或峰谷，接着计算循环周期，进而计算出疲劳可靠性寿命。
牵引链轮在进行静强度或动强度分析后，取出有限元分析应力、应变结果，输入到Pro/MECHANICA Structure的疲劳分析模块进行分析，在这个模块中定义疲劳载荷、材料疲劳特性，选择适宜的疲劳准则，综合多种影响因素，按照累积损伤理论及雨流计数，根据应力或应变进行疲劳寿命计算。在这个过程中，主要是应用全寿命曲线S-N来计算。疲劳分析的结果如图6、7所示，从图中可以得出，链轮最小得疲劳寿命出现在齿根部，为81000次，不到100000次，安全系数为0.95，与实际生产过程的结果基本一致。
3. 结论
(1) 疲劳可靠性寿命计算的最可靠方法是疲劳试验，然而进行疲劳试验耗资费时，做完实验后试件就已经破坏，同时，结构疲劳寿命同试件尺寸的大小、试验的环境有关系。通过Pro/MECHANICA Structure软件对牵引链轮进行疲劳可靠性分析，可以弥补试验方面的不足，而且在设计阶段就能够进行分析。
(2) 经过疲劳分析的结果可以得出，牵引链轮的最薄弱环节在受力齿的齿根部，这与实际生产中出现的疲劳断裂事故是相吻合的。
(3) 本文疲劳可靠性分析方法不仅可以对牵引链轮进行分析，对采煤机的其它零部件同样也可以采取此方法进行疲劳分析。
参考文献：
[1] 祝凌云，李斌. Pro/ENGINEER运动仿真及有限元分析[M].北京：人民邮电出版社，2004.
[2] 博创设计坊. Pro/ENGINEER Wildfire 4.0机械装配和动力学分析[M].北京：清华大学出版社，2008.
[3] 高镇同，雄峻江. 疲劳可靠性分析[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.
[4] 赵永翔.基于应变疲劳可靠性分析新方法[J].机械工程学报，2002，38(1)：26-28.
作者简介：
李刚，男，1981年7月生，2009年太原理工大学机械设计及理论专业硕士研究生毕业，助理工程师，晋煤集团成庄矿机电管理科。