2018基于ANSYS的液压支架侧护板销轴载荷校核

2000291

　　摘要：根据液压支架销轴的受力状况，基于ANSYS建立有限元分析模型，采用映射网格划分的方法，分别对不同直径的销轴的应力分布情况进行模拟，最终确定满足生产要求的销轴。得到的结果既满足了载荷要求，又节约了成本。
　　关键词：销轴;ANSYS;载荷
　　引言
　　液压支架的侧护板有两种，一种是用来支撑顶梁的侧护板，另一种是用来支撑掩护梁的侧护板，无论何种形式，侧护板的结合是类似的，都是由侧推导杆和弹簧导杆控制的。侧推导杆由一个推进缸控制，弹簧导杆中间是一个大弹簧。为了便于运输，侧护板在生产出来之后，采用销轴卡死，侧护板在井下安装好之后打开销轴，此时销轴将承受最大的载荷作用，销轴自身有抵抗破坏的能力，但这种能力又是有限的，所以在设计的过程中，既要考虑成本的要求，又要保证销轴有足够的能力能够承担起应当承受的载荷。
　　1 问题描述
　　如图1所示，液压支架尾梁采用一个侧退套筒和弹簧套筒的结构。假设侧护板被固定而无法活动，采用侧推油缸将侧护板强行退出时，此时销轴承受最大力，假设泵站压力P=31.5MPa，油缸直径d=63mm，设计的销轴直径d=30mm，销轴的装配示意图如图1所示，首先进行载荷验证，确定载荷是否在许用范围之内。
　　2 有限元分析
　　2.1 建立有限元模型 侧护板销轴与轴套之间是三维空间，所以采用三维弹性接触有限元分析方法来建立有限元模型进行分析。
　　2.2 网格划分 ANSYS提供两种基本的网格划分方式，自由网格划分和映射网格划分，选择自由网格划分还是映射网格划分是对模型进行网格划分之前必须考虑的问题。本文因为需要对应力的大小和分布情况进行定量的分析，所以采用映射网格划分的方式。根据建立的几何模型，进行分割，使得所有的体都成为规则的几何体，满足映射划分的要求之后，采用映射划分的方法划分销轴。
　　①定义单元，选择Solid，Brick 8 node 185。②旋转坐标，选择Utility，WorkPlane，Offset WP by Increments命令，在默认设置的情况下，单击3次Y轴旋转按钮，使工作平面绕Y轴旋转-90度，进行体的第一次分割，其它分割，单击Z轴旋转按钮，使得Z轴旋转30度，共切割6次。③划分网格。选择Main Menu，Preprocessor，Meshing，Mesh，Volumes，Mapped，4 to 6 sided 命令，或使用网格划分器的相应选项。
　　2.3 加载和求解 由问题分析可知，油缸的压力为98.14kN，销轴采用的材料是40Cr，弹性模量E=206GPa，泊松比=0.28，抗拉强度(b/MPa)：980，屈服点(s/MPa)：785。模拟销轴承受最大力时的内部应变特点，结果如图2所示。
　　2.4 载荷校核 根据模拟结果可知，销轴承受的最高应力为209.13MPa，小于许用用力785MPa，而且远远低于屈服点的载荷，这样就可能导致材料的浪费，而且会增加成本。而且在实际装配中，尾梁侧护板呈内八字状态，导致原来留出的7mm不够，直径为30mm的销轴装不上，研究决定把直径为30mm的销轴改为直径为20mm的销轴。由于直径变小，必须进一步验证直径为20mm的销轴承受的最高应力是否在许用范围之内。
　　2.5 直径为20mm销轴的应力分析 重复前面的步骤，得到直径为20mm销轴的应力分布图，如图3所示。如图所示，销轴承受的最高应力为642.27MPa，小于许用用力785MPa，满足载荷要求，并且，直径20mm相对直径30mm销轴成本降低了11.1%，所以最终销轴的直径定为20mm。
　　3 结论
　　在实际的生产过程中，经常会遇到载荷校核的问题，文章分析了一个在实际生产过程中经常会遇到的问题，由于初次设计的过程中，考虑的不够充分，导致材料的浪费，经过改良设计之后，重新进行验证，达到既满足应力要求，又节约成本的目的。
　　参考文献：
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