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圆环链热浸镀铝试验系统工程设计与分析

发布时间:2018-01-26 21:15 论文编辑:lgg 所属栏目:工程论文 关键词: 工程硕士论文振动分析静态分析模态分析

本文是工程硕士论文,本文主要讲述了矿用圆环链用钢的发展,热浸镀铝反应机理、国内外发展现状以及其工艺过程。提出了圆环链热浸镀铝工艺过程并对过程中的装置进行初步选型。

引 言
 
矿用高强度圆环链作为煤矿井下采煤工作中的牵引链广泛应用于刮板输送机、刨煤机、滚筒采煤机等工作机上。随着社会经济的发展,对煤炭的需求量越来越多,从而带动煤矿机械的发展,故作为工作机上牵引链的圆环链也得到了快速发展。圆环链作为采煤工作中的关键件,也是易损件,其质量和性能的好坏会影响工作机的工作效率、煤炭的产量和生产工作的可靠性。圆环链的材质多为钢,而钢铁作为工业建设中最重要的基础材料,是用量最大,用途最广的,但其易腐蚀和易磨损一直是困扰人们的主要问题。是以,科研工作者将金属的性能研究作为重大的科学研究课题。因为腐蚀和磨损均发生在钢材表面,所以采用表面工程技术保护金属材料的表面,在钢材表面热镀耐蚀耐磨金属涂层最常用的方法之一。多以钢丝、钢板或者带钢进行热浸镀铝研究,对圆环链热浸镀铝的研究甚少。主要是由于在热浸镀铝过程中,每两个相邻链环之间环环相扣,其连接处易产生漏渡、镀铝层不均匀、粘接等问题。以中国科学院的圆环链热浸稀土铝小试生产线为背景,对矿井下广泛使用的型号为   34 126mmC 级圆环链热浸镀铝试验系统进行设计与分析。以钢丝热浸镀铝工艺过程为基础设计圆环链热浸镀铝工艺路线试验系统,采用超声波清洗代替原有的酸洗碱洗来除油除锈,减少污染,并简化了工艺过程。开发研究了振动系统,置于浸镀铝锅之前,使圆环链连接处产生缝隙,并且在链环离开镀铝锅时振掉圆环链表面附着的铝液,避免产生铝渣。并基于 Adams 软件,探究在不同转速、不同振动位移和两传动链轮之间不同距离下浸入铝液的两个链环振动过程中在不同振动参数下连接处的位移变化规律,以判定振动过程浸于铝液中的两个链环能否产生缝隙保证铝液进入以获得均匀镀层。对比找到找到最佳参数。根据所确定参数选择激振器,对振动系统进行造型设计并对振动系统中的激振器底座进行强度校核。
世界上各国镀铝钢材的年产总量已高达几百万吨甚至更多,而我国仅十万吨左右,与美国等发达国家相比差距颇大,具有非常大的发展前景。圆环链热浸镀铝后可提高其耐磨性以及防腐蚀能力,延长圆环链使用时间,减小材料消耗,更好的保证煤矿工作机的使用可靠性及使用寿命。且当今没有对圆环链进行热浸镀铝的例子,所以圆环链热浸镀铝的研究很有必要。
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第 1 章 绪论
 
1.1 圆环链简介
圆环链是采煤工作中的关键件,也是易损件,其质量和性能的优劣会影响执行机工作的效率、煤炭的产量和生产的可靠性。可以说煤矿机械的发展取决于圆环链的发展,由于煤炭井下开采条件极其恶劣,因此对圆环链性能要求极高。由于圆环链易产生磨损或者受到腐蚀发生断裂而导致工作机无法正常工作,所以要求圆环链有强度高,耐磨、耐蚀、延劳性好等综合性能[1]。在激烈的市场竞争环境中,产品的使用寿命和其工作的可靠性时人们越来越关注的焦点。矿用圆环链工作时由多个链环环环相扣组成闭环系统,有承载能力大、传动效率高等优点,但在井下采煤条件恶劣、损耗量大,其质量和性能的好坏会影响工作机的工作效率、煤炭的产量以及煤矿井下的安全生产,同时会间接影响着企业的效益。按照国家标准,矿用高强度圆环链分 B、C、D 三种级别。B 级圆环链承载能力较小,适合用在对安全性要求较低的工作中,多为个体使用。D 级圆环链强度高,但工作过程中易发生脆性断裂,可靠性较低,从而很少在工业中的使用。C 级圆环链承载能力适中,具有高强度,不易发生脆性断裂,在现今煤矿产业中使用较多[2]。矿用圆环链使用安全性的提高对链条的生产工艺过程以及用钢提出了更新、更高的要求[3]。根据《矿用高强度圆环链用钢》国家标准,规定了矿井常使用圆环链用钢为20MnV 、25MnV 和 23Mn2NiCrM oA等。起重用圆环链常用钢为20Mn2[4]。矿用圆环链常用钢为20Mn2,25MnV, 23MnNiMoCr 54。
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1.2 热浸镀铝机理及研究现状
钢材热浸镀铝技术是一类表面工程技术,其过程是将充分预处理过后的钢铁材料浸入熔融铝液中浸渍合适的时间,使钢材表面 Fe 原子和熔融铝液 Al 原子发生物理化学变化,并通过扩散作用在钢材表面形成 Fe-Al 合金防护镀层[7],镀铝层能有效改善钢铁材料的耐候、耐高温氧化、耐蚀、耐磨等性能。热浸镀铝技术是在热浸镀锌兴起后迅速发展的一类保护钢铁表面工程技术,热浸镀铝钢材是利用合金镀层将强化、防护和美化综合起来的复合金属材料。图 2 所示为 T.Heumann 提出的热浸镀铝时 Al 原子与 Fe 原子反应图。钢材浸入熔融铝液后,熔融 Al 与钢材表面 Fe 接触如图 2[a],之后 Fe 原子和 Al 原子发生界面反应,首先会在 Fe、Al 的接触面上生成 Fe-Al 合金层,并产生 FeAl3如图2[b]。Fe 原子和 Al 原子继续发生反应则 FeAl3层厚度逐渐增加。由于存在浓度差,出现了 Fe2Al5如图 2[c]。Al 原子进入 FeAl3层继续扩散时如图 2[d],Fe2Al5快速生成,逐步生成柱状结晶区如图 2[e]。由于 Fe2Al5的快速生长,反而抑制了FeAl3的形成。继续反应 FeAl3消失而合金层只剩下 Fe2Al5柱状状晶如图 2[f]。研究表明,镀层的形成是 Fe 原子与 Al 原子发生物理化学变化和扩散反应的双重结果[8-10]。热浸镀铝后 Fe-Al 合金镀层分为表面层和过渡层。表面层为钢材离开铝液时附着在表面的纯铝,同时会伴随着少量 FeAl3呈针状析出。过渡层为 Fe2Al5和微量 FeAl3[11],Fe2Al5为柱状结晶。
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第 3 章 基于动力学软件的振动系统技术参数确定....28
3.1 多体系统动力学简介.......28
3.2 Adams 软件介绍.....29
3.3 基于 Adams 仿真分析......32
3.4 仿真结果分析........37
3.5 本章小结.....38
第 4 章 振动参数对圆环链连接处位移影响研究........39
4.1 分析过程.....39
4.2 不同转速参数相同振动参数仿真结果对比....40
4.3 转速为 10o/s 时不同振动参数结果对比..........42
4.4 两链轮不同中心距下仿真分析.............47
4.5 本章小结.....52
第 5 章 振动系统设计及关键结构件分析.........53
5.1 激振器的选型........53
5.2 有限元法简介........53
5.3 基于 ANSYS 软件分析....54
5.4 激振器底座静力分析.......56
5.5 激振器底座模态分析.......59
5.6 本章小结.....60
 
第 5 章 振动系统设计及关键结构件分析
 
5.1 激振器的选型
在工程或物理问题的数学模型(基本变量、基本方程、求解域和边界条件等)确定以后,有限元法作为对其进行分析的数值计算方法的基本思想可简单的概括为如下 3 点:1)将导入有限元分析软件的零件或装配体的待求解区域离散化为许多个单元,通过单元边界上的相同节点联接为原始的零件或装配体。2)对每个单元来近似的求解待求解量。3)通过等效原数学模型建立待求解量的方程。有限元计算的过程是将构件离散为许多单元,并对每一个单元进行分析求解,最后整合获得整个构件的求解结果[50]。有限元技术在各行业零部件的设计研发过程中已经成了一个不可或缺的手段[51,52]。首先用 Creo 软件对激振器底座进行三维设计造型并保存为后缀 x_t 相容文件,之后将文件导入 ANSYS 中。首先选择结构分析,之后定义单元类型为 solid下的 20node186 类型。激振器底座材料选择 HT250,设置弹性模量为 150GPa,泊松比为 0.25,材料密度为 7×103kg/m3,采用自动划分网格对激振器底座进行网格划分。之后对底座施加约束,其中底面固定不动,底板上表面上放置激振器的位置施加应力,应力的最大值为链轮、链环、振动台、激振器的总质量以及激振器的最大激振力。底座最上面板的下表面由于安装弹簧也会受到应力,其最大的时候为激振器的最大激振力。之后进行求解。图 51 为激振器底座的载荷处理。
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结 论
 
本文主要讲述了矿用圆环链用钢的发展,热浸镀铝反应机理、国内外发展现状以及其工艺过程。提出了圆环链热浸镀铝工艺过程并对过程中的装置进行初步选型。重点对振动系统进行设计研究,并对比分析了在三种不同转速、四种不同振动位移、五种不同链轮中心距下的振动情况,通过仿真分析得出了振动过程的最佳参数。对激振器底座进行造型设计并进行静力分析和模态分析,校验了其强度。通过参考钢丝钢带热浸镀铝工艺过程提出了圆环链热浸镀铝工艺路线。在热浸镀铝预处理中采用超声波综合预处理代替传统的酸洗碱洗,不仅简化了工艺过程,同时减小了对空气的污染。并对工艺过程中的关键设备进行了选型设计。提出并设计了振动系统,置于镀铝锅之前,利用振动使环环相扣的圆环链连接处实现分离使铝液可以包围圆环链表面以获得连续均匀的镀铝膜。通过 Adams 对圆环链和链轮组成的传动系统进行了振动仿真分析,得出了振动过程中浸入铝液中链环连接处的位移变化规律,证实了对系统添加振动可以使环环相扣的圆环链产生缝隙使铝液可以进入,为在圆环链表面获得连续均匀的镀铝膜提供了良好的理论依据。并对比三种不同转速下的分析结果,得出 10o/s 为最优转速。对比四种不同振动位移得出振动幅值为 2mm 角速度为 2rad/s 是最佳振动位移,对比五种链轮中心距,得出两链轮距离为 1244.16mm 即链环 6 与链环 7 无偏转时为最佳。结论为圆环链热浸镀铝工艺过程和系统设计提供了参数选择依据。基于得出的最优参数对激振器进行了选型,完成了振动系统的设计并对激振器底座进行了造型和强度校核,以受力最大的情况进行了静力分析得出了应力应变云图,最大等效应力为 206MPa 小于其材料 HT250 的屈服极限(240MPa),所以激振器底座的强度足够。对激振器底座的进行模态分析,得出了激振器底座在实际约束条件下的前十阶固有频率以及振型云图。激振器底座的一阶固有频率为52.1Hz,远远大于激振器的激振频率,所以在工作过程中不会发生共振现象。