Análise da vida útil em fadiga de sapatas de esteira para grandes escavadeiras de mineração

22/04/2024

A sapata sobre esteiras para uma grande escavadeira de mineração suporta o peso e a carga de trabalho superiores. A sapata da esteira é uma parte importante do dispositivo da esteira; sua vida útil é o índice central do desempenho do equipamento. Neste artigo, a simulação dinâmica extrai o espectro de carga de condições típicas de trabalho no ciclo de trabalho. A distribuição de tensões da estrutura sob ação de força unitária foi determinada por análise de elementos finitos. Com base na análise de elementos finitos, espectro de carga e curva SN do material, é obtida a vida em fadiga da sapata da esteira, o que fornece uma base teórica para o projeto do produto e uso em campo.

Contexto

Escavadeiras de mineração são adequados para operações de decapagem e mineração em minas de carvão a céu aberto de grande escala, minério de ferro e minas de metais não ferrosos. O dispositivo de esteira é uma parte importante da escavadeira de mineração. A sapata da esteira é a parte central do dispositivo da esteira. A vida útil da sapata da esteira não afeta apenas o desempenho geral do dispositivo da esteira, mas também é de grande importância para o gerenciamento de estoque dos clientes de mineração. Portanto, a Qiming Casting conduziu uma análise de resistência à fadiga nas esteiras de grandes escavadeiras de mineração.

Visão geral da análise da vida útil da fadiga

Este artigo usa ADAMS, NXNastran, NCode e outros softwares para calcular a vida útil em fadiga de sapatas de escavadeiras de mineração mecânica. O processo de análise da vida em fadiga é mostrado na Figura 1.

Figura 1. Processo de análise da vida em fadiga

O processo de trabalho da escavadeira inclui condições de caminhada e escavação. A compilação do espectro de carga estrutural leva 3600 segundos, dos quais 600 segundos é o tempo de caminhada e 3000 segundos é o tempo de escavação. O tempo de caminhada e escavação é dividido em cinco segmentos iguais e seus espectros de carga são extraídos dos resultados da análise dinâmica.

Análise de Materiais

As sapatas das escavadeiras mecânicas de mineração são feitas de aço com alto teor de manganês e suas propriedades são mostradas na Tabela 1. A curva SN do material é mostrada na Figura 2.

Tabela 1. Propriedades materiais do aço com alto teor de manganês
Material	Módulo de elasticidade (GPa)	Coeficiente de Poisson	Densidade (kg/m3)
Aço manganês	206	0.288	7829

Curva SN de aço com alto teor de manganês — Figura 2. Curva SN do aço com alto teor de manganês

Análise e cálculo do espectro de carga

A Figura 3 mostra o modelo de simulação da condição de caminhada da escavadeira. A massa da escavadeira é de 1200 toneladas, a velocidade do eixo motor é de 17.2245s e o tempo de simulação é de 150s. O espectro de carga é compilado dividindo a caminhada em 5 seções, cada uma com duração de 120 segundos. Assim, os pares rotativos entre as 5 sapatas da esteira são selecionados aleatoriamente para extração de carga.

Figura 3. Modelo de simulação das condições de caminhada

Conforme mostrado na Figura 4, o modelo de simulação da condição de trabalho de escavação é semelhante à condição de trabalho ambulante, em que a transmissão da força de escavação é extraída da força de reação na plataforma rotativa durante a simulação da operação de escavação do dispositivo de trabalho ; a velocidade do eixo motor é 0; o tempo de simulação é 18s. Na elaboração do espectro de cargas, a escavação é dividida em 5 trechos; cada seção dura 600 segundos, então 40 pares rotativos entre as sapatas da esteira são selecionados aleatoriamente para extração de carga, e os resultados da simulação de 15 segundos são interceptados para cada seção.

Figura 4. Modelo de simulação de condições de escavação

Em um par de sapatas de esteira, a direção axial do pino é o eixo B, a direção da gravidade é o eixo Y (a Figura 5 mostra a direção esquemática das sapatas de esteira no lado superior; a direção da gravidade é sempre para baixo) e a direção horizontal é o eixo X.

Figura 5. Diagrama esquemático do sistema de coordenadas

Os valores das forças e momentos na direção Z são muito pequenos comparados com aqueles nas outras duas direções. Portanto, a força na direção Z não é considerada na compilação do espectro de carga; apenas as forças nas direções X e Y são consideradas. Além disso, as sapatas da esteira também suportam a força motriz das rodas motrizes ativas e a pressão geral da escavadeira. O espectro de carga compilado é mostrado nas Figuras 6 a 9.

Figura 6. Curva de mudança de força na direção X

Figura 7. Curva de mudança de força na direção Y

Figura 8. Curva de mudança de força motriz

Análise de elementos finitos

A análise de elementos finitos é realizada para determinar a distribuição de tensões na estrutura sob força unitária. Neste caso, restrições simples são aplicadas no lado binaural e carga unitária é aplicada no lado mono. A distribuição de tensões na placa da via sob carga unitária é mostrada nas Figs. 10 a 13.

Figura 10. Tensão unitária na direção X da sapata da esteira

Figura 11. Tensão unitária na direção Y da sapata da esteira

Figura 12. Tensão da unidade de força motriz da sapata da esteira

Figura 13. Tensão da unidade de pressão da sapata do rastreador

Análise da vida de fadiga

A Figura 14 mostra o processo de análise de fadiga. Os resultados da FEA e do espectro de carga são introduzidos, e a curva SN do material é definida para análise de vida à fadiga. Os resultados da análise são mostrados na Figura 15, que mostra que a vida útil projetada da placa da via é de 27240h.