颚式破碎机偏心轴剩余寿命预测及其再役可靠性研究.pdf

封封面面 （ 学 生 类 别 全 日 制 学 术 型 硕 士 研 究 生学 生 类 别 全 日 制 学 术 型 硕 士 研 究 生 学 科 名 称 机 械 工 程学 科 名 称 机 械 工 程 论 文 题 目 颚 式 破 碎 机 偏 心 轴 剩 余 寿 命论 文 题 目 颚 式 破 碎 机 偏 心 轴 剩 余 寿 命 预 测 及 其 再 役 可 靠 性 研 究预 测 及 其 再 役 可 靠 性 研 究 英 文 题 目 英 文 题 目 Predictionof Residual Life ofEccentricShaftofJaw CrusherandStudyonIts Service Reliability 学 生 姓 名 陈 立 春学 生 姓 名 陈 立 春 导 师 姓 名 薛 俊 芳导 师 姓 名 薛 俊 芳副 教 授副 教 授 二二 ○○ 一 九 年一 九 年 六六 月月 硕士学位论文硕士学位论文 分类号分类号 TD451TD451学校代码学校代码 1012810128 U D C 622622学学号号 2016110001120161100011 万方数据 万方数据 内蒙古工业大学硕士学位论文 I 摘摘要要 颚式破碎机作为一种传统的破碎设备，广泛应用于行业原料的破碎，主要用于砂 石料场、矿山开采、混凝土搅拌站、电厂脱硫等领域。每年有大量的破碎机偏心轴退 役，造成资源浪费。偏心轴作为破碎机的重要零件之一，它对于破碎机的运行安全和 可靠性有着非常重要的影响。 对偏心轴进行剩余寿命预测和再役可靠性研究不但是再 制造产业化和规模化发展需要面对的重大技术难题， 还是再制造产品受社会广泛接纳 的关键问题。符合中国制造 2025提出的坚持“大力发展再制造产业，实施高端 再制造、智能再制造、在役再制造”的基本要求，也必将助推中国未来制造业的发 展。针对上述若干问题，依托某公司复摆式颚式破碎机 PE400600 的关键零件偏心 轴为研究对象开展深入研究。主要研究内容包括 （1）在综合国内外现有研究的基础上，对目前常见再制造毛坯剩余寿命预测方 法进行分析比较， 提出适用于退役偏心轴剩余寿命预测的方法基于动力学理论和 有限元模拟的寿命预测。同时，对颚式破碎机再制造相关问题进行简单阐述，并给出 了偏心轴剩余疲劳寿命预测及其再役可靠性技术线路。 （2）建立了颚式破碎机虚拟样机模型，运用 ADAMS 模拟颚式破碎机实际的破 碎过程，模拟轴承对偏心轴的作用力随时间变化的过程，分析得出力随时间的变化曲 线，完成对颚式破碎机的动力学分析。经过数据处理转换获得偏心轴疲劳载荷谱。 （3）结合偏心轴的当量寿命对偏心轴的剩余疲劳寿命预测展开研究，以偏心轴 的疲劳寿命预测为研究重点。 根据偏心轴静力学分析和动力学分析得到偏心轴的应力 结果和载荷时间历程，对偏心轴疲劳寿命进行预测。 （4）建立了偏心轴再制造激光熔覆层参数化模型，利用多目标遗传算法优化方 法对熔覆层的结构尺寸和材料属性进行优化设计。 建立考虑应力和变形相关性的可靠 性计算模型，应用六西格玛设计准则验证了再制造方案的可行性。 论文研究工作为颚式破碎机偏心轴剩余寿命预测及其再役可靠性研究提供了理 论基础，为后续同系列产品的相关研究提供了重要的参考依据。 关键词关键词颚式破碎机；再制造；偏心轴；剩余疲劳寿命；可靠性优化设计 万方数据 内蒙古工业大学硕士学位论文 III Abstract As a kind of traditional crushing equipment, jaw crusher is widely used in the crushing of industrial raw materials. It is mainly used in the fields of sand and stone yard, mining, concrete mixing station and desulfurization in power plant. Every year a large number of crusher eccentric shaft retired, resulting in a waste of resources. As one of the important parts of the crusher, the eccentric shaft has a vital influence on the safety and reliability of the crusher. The research on residual life prediction and reservice reliability of eccentric shaft is not only a major technical problem for remanufacturing industrialization and large-scale development, but also a key problem for remanufacturing products to be widely accepted by the society. It cons to the basic requirements of “vigorously developing the remanufacturing industry and implementing high-end remanufacturing, intelligent remanufacturing and in-service remanufacturing” proposed in “made in China 2025”. It will also boost the development of Chinese manufacturing in the future. Aiming at the above problems, based on a company’s compound pendulum jaw crusher PE400600 key parts of the eccentric shaft as the research object to carry out in-depth study. The main research contents include 1 On the basis of summarizing the existing research at home and abroad, by comparing the common prediction s of remaining life of remanufactured blank at present, the prediction of remaining life of eccentric shaft, which is based on the dynamic theory and finite element simulation, is put forward. At the same time, the problems related to the remanufacturing of jaw crusher are briefly described. The prediction of residual fatigue life of eccentric shaft and its reservice reliability technique road map is given. 2 The virtual prototype model of jaw crusher is established. Using ADAMS simulation software to simulate the actual crushing process of jaw crusher. The process of calculating the change of the force of the bearing on the eccentric shaft with time. The variation curve of output with time is analyzed, and the dynamic analysis of jaw crusher is completed. The eccentric shaft fatigue load spectrum is obtained through data processing and transation. 3 Combining the equivalent life of the eccentric shaft to predict the residual fatigue life of eccentric shaft. The fatigue life prediction of eccentric shaft is the research focus. According to the eccentric shaft statics analysis and dynamic analysis of the stress results of the eccentric shaft and load time history, to predict the fatigue lives of eccentric shaft. 万方数据 内蒙古工业大学硕士学位论文 IV 4 A parameterized model of laser cladding layer for eccentric shaft remanufacturing is established. The structure size and material properties of cladding layer are optimized by Multi-objective Genetic Algorithm. The reliability calculation model considering the correlation between stress and deation is established. Using six sigma verify the feasibility of remanufacturing scheme design standards. The research work of this paper provides a theoretical basis for the residual life prediction of eccentric shaft of jaw crusher and its reservice reliability research, and provides an important reference basis for the subsequent related research of the same series of products. Key words Jaw crusher; Remanufacturing; Eccentric shaft; Residual fatigue life; Reliability optimum design 万方数据 内蒙古工业大学硕士学位论文 V 目目录录 摘要.....................................................................................................................................I Abstract................................................................................................................................ III 物理量名称及符号表.......................................................................................................VIII 第一章绪论........................................................................................................................1 1.1 课题背景及选题意义............................................................................................1 1.2 国内外相关领域研究现状....................................................................................2 1.2.1 国内外再制造研究现状................................................................................2 1.2.2 退役零部件剩余寿命预测研究现状............................................................5 1.2.3 再制造产品可靠性研究现状........................................................................7 1.3 颚式破碎机偏心轴再制造概述............................................................................8 1.3.1 颚式破碎机简介............................................................................................8 1.3.2 颚式破碎机再制造概述..............................................................................10 1.4 课题主要研究思路..............................................................................................12 1.4.1 技术线路图..................................................................................................12 1.4.2 课题研究思路..............................................................................................12 第二章颚式破碎机多体动力学分析及载荷谱获取......................................................15 2.1ADAMS 多刚体动力学理论................................................................................15 2.1.1ADAMS 软件简介........................................................................................15 2.1.2 多刚体动力学基本理论..............................................................................15 2.2 颚式破碎机多体动力学分析..............................................................................16 2.2.1 颚式破碎机虚拟样机建模..........................................................................16 2.2.2 添加约束、驱动和施加载荷......................................................................19 2.2.3 动力学仿真分析..........................................................................................23 2.3 偏心轴疲劳载荷谱获取......................................................................................27 2.4 本章小结..............................................................................................................28 第三章偏心轴静动态特性分析......................................................................................29 3.1 偏心轴有限元模型建立......................................................................................29 3.1.1 三维实体模型简化处理..............................................................................29 3.1.2 有限元模型建立..........................................................................................29 3.2 偏心轴模态分析..................................................................................................30 万方数据 内蒙古工业大学硕士学位论文 VI 3.2.1 模态分析基本理论......................................................................................30 3.2.2 弹性约束下的偏心轴模态分析..................................................................31 3.2.3 偏心轴模态分析..........................................................................................33 3.3 偏心轴结构静力学分析......................................................................................33 3.3.1 静力学分析基本理论..................................................................................33 3.3.2 约束施加与载荷加载..................................................................................33 3.3.3 偏心轴结构静力学分析..............................................................................36 3.4 本章小结..............................................................................................................38 第四章退役偏心轴剩余疲劳寿命预测..........................................................................39 4.1 退役零件剩余疲劳寿命预测简介......................................................................39 4.1.1 退役零件剩余疲劳寿命预测方法..............................................................39 4.1.2 疲劳寿命预测基本理论..............................................................................40 4.2 偏心轴剩余疲劳寿命预测..................................................................................41 4.2.1 基于 ANSYS nCode DesignLife 的疲劳寿命预测.................................... 41 4.2.2 疲劳分析类型确定......................................................................................43 4.2.3 偏心轴材料 40Cr 的 S-N 曲线修正............................................................43 4.2.4 疲劳载荷谱的确定及输入..........................................................................45 4.2.5 偏心轴疲劳寿命预测..................................................................................46 4.2.6 偏心轴剩余疲劳寿命预测..........................................................................48 4.3 本章小结..............................................................................................................48 第五章再制造偏心轴可靠性研究..................................................................................49 5.1 结构可靠性分析..................................................................................................49 5.1.1 结构可靠性分析基本理论..........................................................................49 5.1.2 基于六西格玛的可靠性分析......................................................................50 5.2 再制造偏心轴可靠性分析..................................................................................51 5.2.1 再制造偏心轴可靠性分析流程..................................................................51 5.2.2 偏心轴再制造方案设计..............................................................................52 5.2.3 再制造激光熔覆层参数化建模..................................................................52 5.2.4 基于响应面法的熔覆层多目标优化设计..................................................53 5.2.5 基于六西格玛再制造偏心轴可靠性分析..................................................59 5.3 本章小结..............................................................................................................62 结论与展望..........................................................................................................................63 参考文献..............................................................................................................................64 万方数据 内蒙古工业大学硕士学位论文 VII 致谢..................................................................................................................................70 攻读学位期间发表的学术论文及取得的科研成果..........................................................71 个人简历..............................................................................................................................72 万方数据 内蒙古工业大学硕士学位论文 VIII 物理量名称及符号表物理量名称及符号表 符号代表含义 DH R作用在偏心轴上的集中力 i H R DH R分解到动颚两轴颈处的力，i 1，2 i H R 机架两轴颈处的支反力，i 1，2 r N 零部件的剩余疲劳寿命 max N 最大载荷下的疲劳寿命 e N 当量寿命 L 激光熔覆层宽度  激光熔覆层厚度 E 激光熔覆层材料弹性模量 f LE, , 目标函数  i gLE, , 约束函数 注①未列举的符号，具体含义见正文。 ②若符号相同，以正文中的解释为准。 万方数据 第一章绪论 1 1第一章第一章绪论绪论 随着我国科学技术的发展，制造行业迎来了许多新的发展战略机遇和挑战。约束 我国经济发展的资源环境瓶颈也越来越显着。 实现资源高效循环利用的最佳途径之一 即再制造技术，它是在实现大量报废产品再利用的同时，努力降低能源资源的消耗和 减少温室气体排放。对于退役零部件来说，为了更好的应用再制造技术，其核心问题 就是剩余寿命预测及其再役可靠性的研究。 1.1 课题背景及选题意义课题背景及选题意义 目前，我国有大量的机械装备进入“老龄化”状态，10 年以上服役的机床在全 国超过了 200 万台，80的服役工程机械已超过了保质期，30的盾构设备处于报废 闲置状态，每年约有 500 万辆汽车报废，报废电脑、电视、电冰箱 1600 万台，报废 手机 2000 万部，办公设备耗材需大量更换[1]。同时，Collacott, R.A.对 1378 项失效形 式分类统计表明，占 73.88的失效是由于腐蚀、磨损及各种形式的疲劳破坏所引起 的，而由断裂所引起的失效只占 4.79[2]。而我国 90以上的煤炭开采过程是在井下 完成的，相比一些工、农业生产机械，应用于煤矿生产中的矿山机械具有工作环境恶 劣、工况条件苛刻、运行时间长、润滑条件较差的特点。随着我国煤矿机械化的程度 不断提高，在此工况下矿山机械的磨损失效现象极其严重，造成大量的资源浪费和环 境污染[3-4]。 为了应对日益严峻的资源和环境问题，我们国家先后推出建设生态文明社会、促 进循环经济发展等重大国家战略。党的十八大报告把“生态文明建设”放在了突出位 置，中国制造 2025提出了要“大力发展再制造产业，实施高端再制造、智能再 制造和在役再制造”[5]。在这种形势之下再制造工程获得了广泛的关注，也必将成为 “中国制造”升级转型的重要突破。显然，再制造工程已经成为了我国实现从制造大 国向制造强国的转变所面临的重大课题[6]。 再制造工程是以先进技术和产业生产为手段，以产品全寿命周期为基本理论，所 进行的一系列工程活动的总称，其在产品全寿命周期中的地位如图 1-1 所示。由图 1-1 可以看出，产品全寿命周期（Life Cycle，LC）是产品从论证开始到退役为止所经 过的全部时期。传统的产品寿命周期是一个开环系统，即“研制→使用→报废”，而 将再制造过程引入到其末端后，使它变成了一个闭环系统，即“研制→使用→再生” [7]。这说明再制造的发展不仅是传统产品寿命周期的拓展，即将原来的报废退役改变 成更高品质的再利用、再制造和再循环，而且使寿命周期的各个阶段相互衔接、密切 配合、相辅相成，并且在一定程度上形成多生命周期循环，延长了产品的生命周期。 万方数据 内蒙古工业大学硕士学位论文 2 图 1-1再制造在产品全寿命周期中的地位[7] Fig. 1-1The position of remanufacturing in the whole life cycle of a product[7] 近年来，随着再制造工程的快速发展，亟待解决的问题也越来越多。一方面，对 退役零部件（再制造毛坯）进行剩余寿命预测是判断毛坯能不能够进行再制造的前 提，如果其剩余寿命达到规定的一个生命周期就能够进行再制造。否则，即使应用无 损检测的技术没有发现损伤也不能进行再制造[8]；另一方面，怎样保证再制造产品的 质量、增强用户对再制造产品的使用信心是非常重要的，再制造产品要赢得用户和市 场的认可关键是其可靠性。 同时， 可靠性直接关系到再制造工程技术的推广应用[9-10]。 由此可见，对再制造毛坯剩余寿命预测是其再制造中承上启下的重要环节，而再 制造产品的可靠性又制约着再制造技术的推广。因此，进行再制造毛坯的剩余寿命预 测和再制造产品的可靠性研究变得越来越迫在眉睫。在此背景下，开展相关研究不仅 对再制造高速发展极其重要，而且具有十分重要的理论意义和重大的工程应用价值。 1.2 国内外国内外相关领域相关领域研究现状研究现状 1.2.1 国内外再制造研究现状国内外再制造研究现状 1.2.1.1 国外再制造研究现状国外再制造研究现状 在欧美发达国家已形成了巨大的再制造产业链，全球行业分析（GIA Inc.）的数 据显示，到 2020 年，全球的再制造汽车零部件市场将达 1398 亿美元。无论是在技术 规范、生产工艺和毛坯回收，还是市场环境和运作模式都已经建立了完善的再制造体 系[1,11]。这为国内再制造技术的快速发展和推广提供了很好地参考。 （1）美国在 2009 年至 2011 年间，美国对再制造的投资几乎翻了一番。2011 年美国的再制造产值将达到 430 亿美元，再制造行业提供了就业岗位将超过 18 万个 [12]。美国军方也高度重视再制造。隶属于美国国家科学研究委员会的“2010 年后国 防制造工业委员会”制定了 2010 年国防工业制造技术的框架，武器系统的再制造被 列为国防领域的重要研究方向。因此，美国军方也成为再制造的最大受益者[13]。美国 万方数据 第一章绪论 3 的再制造发展模式是以市场为主导，依靠市场的自我调节实现再制造生产。同时，政 府也特别重视通过立法来鼓励再制造发展。例如，美国德克萨斯州、康涅狄格州和加 利福尼亚州的立法机构均于 1999 年通过了促进再制造产业发展的相关法律；纽约州 于 2000 年颁布了两个促进再制造的法律；2015 年美国还通过了联邦汽车维修成本 节约法案，旨在支持汽车再制造相关产业发展[14]。 （2）欧盟德国、法国和意大利是欧盟制造业的主要国家。这三个国家占欧盟 所有再制造价值的 64。 根据欧洲再制造联盟估计， 目前欧盟再制造产值约 170 亿欧 元，提供了 19 万个就业岗位，预计到 2030 年，这一数字将分别达到 300 亿欧元和 60 万个就业岗位，再制造成为欧盟未来制造业发展的主要组成部分。欧盟地区的再 制造产业以企业为主导，同时，政府也特别重视通过政策鼓励来再制造产业发展。近 年来，欧盟发布了大量的法律，推动了欧盟再制造业的发展。例如，循环经济实施 方针 的实施表明再制造得到了欧盟的认可， 成为欧盟循环经济发展的支柱产业； 关 于报废汽车的指令，2000/53/EC强调，2015 年前，欧盟所有报废汽车回收率不少于 95，再利用率将达到 85。德国是欧盟再制造产业最成熟的国家，涉及领域广泛， 例如，汽车零部件、工程机械、机床、机车、电子电器和医疗器械等领域[14-15]。 （3）其他国家除美国和欧盟之外，日本、巴西、印度、新加坡和韩国等国也 非常重视再制造的研究。其中，日本的再制造行业比较成熟。日本再制造市场的规模 估计达到了 5000 亿日元；巴西的再制造市场规模很小，但是其再制造业活动正在积 极发展，估计有 18000 个打印机墨盒制造公司。再生打印机墨盒的年销售市场为 2.6 亿美元，消费超过 1200 万套；印度的再制造业相对不发达，主要的再制造行业是 IT 产品；韩国的再制造行业主要集中在汽车零部件、打印机墨盒、IT 产品、医疗设备 以及国防部门，并在重型