基于ANSYS的齒軌卡軌車拉桿有限元分析

賀路生，呂振鋒

（太原礦機電氣科技有限公司，山西 太原 030032）

煤礦的現(xiàn)代化生產(chǎn)離不開煤礦運輸設備，為了解決煤礦井下大型設備的運輸問題，而生產(chǎn)的防爆柴油齒軌卡軌車不僅在運輸能力上有所提高，其負載可以達到30t以上，而且其運輸距離長，最大可以滿足30°坡的使用。所以在煤礦井下被廣泛使用。拉桿作為連接整套系統(tǒng)的重要組成部分，必須滿足實際需求。在設備生產(chǎn)過程中，必須對拉桿進行試驗，以保證其使用安全。

如果不對拉桿進行試驗，一旦發(fā)生問題，將會造成嚴重問題，如圖1為在進行拉桿試驗時，由于設計不滿足使用要求，所以拉桿發(fā)生斷裂。

圖1 拉桿斷裂

目前經(jīng)常采用的方法有使用ANSYS軟件進行分析和實際實驗工裝進行拉力測試。先應用三維軟件對其試驗工裝進行三維建模，然后使用ANSYS軟件進行模擬仿真，可以避免出現(xiàn)由于設計不合理所造成的實驗時出現(xiàn)的拉桿斷裂的情況。

1 強度分析

1.1 理論分析

材料的破壞有兩種類型：屈服失效和斷裂失效。屈服失效是指材料出現(xiàn)顯著的塑形變形而喪失其正常的工作能力。斷裂失效又分為脆性斷裂和韌性斷裂。脆性斷裂是指無明顯的變形下突然斷裂。韌性斷裂是指產(chǎn)生大量塑形變形后斷裂。

最大拉應力是材料引起脆性斷裂破壞的主要因素，即不論材料處于簡單還是復雜應力狀態(tài)，只要最大拉應力σ1達到材料在單向拉伸時斷裂破壞的極限應力σb，就會發(fā)生脆斷破壞。

1.2 強度計算

拉桿和銷軸材料采用40Cr，其抗拉強度≥735MPa，屈服強度≥540MPa。40cr鋼材的許用應力有（安全系數(shù)n=1.34）：許用端面承壓應力=548.6MPa；許用剪切應力=211.1MPa；許用抗壓彎應力=365.7MPa。

圖2 拉桿工裝CAD圖

（1）銷軸強度校核

工作面的擠壓：

校核安全。

（2）拉桿強度校核

d為銷孔直徑，r為銷孔半徑，R為銷孔中心沿F力方向到耳板最外沿的半徑，δ為拉桿厚度，(R-r)×δ就是剪切面積。

通過計算校核安全。

2 ANSYS分析

2.1 三維建模

在進行拉桿試驗時，需要用銷軸把拉桿和固定座固定在一起，但拉桿可以自由轉(zhuǎn)動，不受影響。所以在進行有限元分析前，需要先應用三維軟件SolidWorks對實驗工裝進行建模，其三維圖形如圖3所示。

圖3 試驗工裝圖

2.2 有限元分析

然后將其模型導入ANSYS workbench中進行有限元模擬仿真。在進行模擬仿真前需要賦予各模型其材料參數(shù)，如表1所示。

表1 實驗工裝各材料屬性

在進行有限元靜力學仿真時，先需要對其模型進行網(wǎng)格劃分，然后通過約束把固定座底部固定，然后在拉桿頭的另一端，施加一個拉力，為了滿足拉桿在煤礦井下的使用，所以需要給其施加的拉力為40t，如圖4所示。

圖4 試驗拉桿受力圖

2.3 靜力學分析

通過有限元模擬仿真，可以發(fā)現(xiàn)拉桿在受到40t拉力時，可以通過實驗工裝位移云圖（圖5）觀察到其位移變形為0.12mm，通過其應力云圖（圖6）可以觀察到其最大應力為203.43MPa?？梢园l(fā)現(xiàn)其拉桿滿足材料要求，符合實驗需要。然后通過對拉桿、固定塊、銷軸的不同應力云圖（圖7），可以觀察到其最大應力點，將各點放入表格如表2所示。這些位置可以為我們提升拉桿強度，提供有效幫助。

表2 實驗工裝各材料最大應力

圖5 試驗工裝位移云圖

圖6 試驗工裝應力云圖

圖7 拉桿應力云圖

3 結(jié)語

通過有限元模擬仿真，可以發(fā)現(xiàn)其拉桿在受到40t拉力時，可以通過其位移云圖觀察到其位移變形為0.12mm，通過其應力云圖可以觀察到其最大應力為194.22MPa，滿足使用要求。通過以上分析方法可以為拉桿的設計提供必要的幫助，同時可以避免因設計不合理所造成的損失。