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液壓破碎錘釬桿優化及疲勞分析

文字:[大][中][小] 2015-8-21    瀏覽次數:2005    

液壓破碎錘釬桿優化及疲勞分析 

 

  液壓破碎錘沖擊過程是一個典型的二元沖擊系統,活塞不是直接撞擊工作介質,而是通過彈性桿將能量傳遞給工作介質。當活塞以一定的沖擊末速度撞擊釬尾,并將若干能量以應力波形式和一定的波速,由釬柄沿著釬桿向釬頭方向傳播。物理實質是將一長時間作用的力轉化為一脈沖力,這一脈沖力可在瞬時提供足夠高的應力幅值,用來破碎巖石。釬桿作為能量傳遞的器具,受力狀況尤為惡劣,常出現早期強度不足和疲勞斷裂等不同原因的 失效。

  本文利用有限元軟件SolidWorks Simulation對一型號釬桿建 立了有限元模型,在對其靜力學分析的基礎上進行結構優化和疲 勞分析,確定出合理的幾何參數和壽命周期,設計的結果為液壓 錘合理匹配釬桿提供依據。

一、結構及工況簡介

  1.初始結構

  釬桿初始結構尺寸如圖l所示,所選用的材料是42Cr Mo,其主要參數性能為:彈性模量E=212G Pa,泊松比u=0.28,屈服強度σs=930MPa。

  2.工況及設計要求

  

由于液壓錘的活塞和釬桿都屬于大尺寸結構件,尺寸愈大的構件其發生微裂紋擴展的概率愈大,根據疲勞強度統計理論,在強度校核中應考慮尺寸影響系數,算出當量應力值。尺寸影響系數為:式中——構件直徑比;n ——材料常數??紤]尺寸影響的當量應力值經計算

由于釬桿在使用過程中,會出現不同的使用工況,本文只對釬桿在垂直于工作對象的狀態下進行靜力學分析,所以要求在工作時承受應力不得 超過許用應力320MPa,安全系數大于等于3。此外,在滿足強度的前提下,獲得最優結構尺寸和重量,以滿足經濟性的設計要求。

  3.有限元模型

  靜態研究階段所關注的重點是零件所承受的最大應力和設計 安全系數。在SolidWorks軟件狀態下,啟動SolidWorks Simulation 程序,建立靜態研究算例,并設置結算器為Direct sparse,按工 況要求添加材質、約束及壓力,并進行網格化分。為了保證計算的精確度,本文中采用四面體網格,網格的大小為9.449mm,共計

  50,149個單元。運行靜態分析模塊,獲得釬桿的應力、設計安全 系數,如圖2所示。由圖2可知釬桿承受最大應力為284M P a,小于 材料的屈服強度;設計最小安全系數為3.27,滿足設計要求。

二、優化設計

  優化設計的目標就是在保證模型約束條件的前提下,盡可能 使模型達到質量輕、體積小、形狀合理、成本低,以及最大限度減緩應力集中現象等。在大多數情況下,優化研究是求解非線性 約束問題,可統一用如下的數學模型來描述。

  在該幾何模型的優化設計中,優化目標函數是釬桿的最小 重量,即:m inf (X)=minG(X)。參考國外同類產品的設計參數,將設計變量X選用四組,第一組為釬桿最小直徑Φ65mm處,此處為釬桿銷固定位置,約束條件為:60d170;第二組為釬桿下部的長度(即圖1775mm)約束條件為:600l1800;第三組為Φ77mm 過渡到Φ65mm的臺階長度,約束條件為:55l170;第四組為過渡圓角,約束條件為:10R120。應力范圍:,安全系數n ≥3;17次優化迭代獲得了收斂,四個設計變量在迭代過程的變化趨勢如圖3所示,優化后的結構尺寸和靜力學結果如圖4所示。

  從圖4可知,優化后的釬桿承受最大應力為296MPa,小于零 件的屈服強度;最小安全系數為3.14,同樣滿足設計要求。經優化后的釬桿重量由初始的52.96kg減小到當前的42.16kg,重量減輕了20.3%,取得了較高的經濟效益。

三、疲勞壽命估算

  疲勞壽命是指機械結構直至破壞所作用的循環載荷的次數或 時間。疲勞破壞的過程是:零部件在循環載荷作用下,在局部的最高應力處,最弱及應力最大的晶粒上形成微裂紋,然后發展成宏觀裂紋,裂紋繼續擴展,最終導致疲勞斷裂。目前,疲勞分析的方法主要有三種:名義應力法、局部應力應變法和損傷容限法。名義應 力法主要用于對彈性變形居主導地位的高周疲勞,局部應力應變法主要用于對塑性變形居主導地位的低周疲勞。SolidWorks Simulation軟件對于單個零件疲勞分析是基于名義應力法的,其分析過程首先根據載荷譜確定零件危險部位的應力譜;而后采用材料的S-N曲線,經過計算結構危險部位的應力集中系數,結合材料的疲勞極限圖,通過插值將材料的S-N曲線轉化為零件的S-N曲線;最后再由載荷譜確定的應力譜根據Miner線性損傷累積規則計算零件的壽命。

  在SolidWorks環境中激活SolidWorks Simulation,建立疲勞算例后,將有限元分析的算例作為恒定振幅疲勞事件添加,負載類型基于零(LR=0),周期為1000。在有限元模型中添加材料屬性中帶SN42Cr Mo材料進行分析,即基于雙對數的疲勞曲線被載入,最后勾選“vonMises”(對等應力)“Soderberg方法選項后,分別對優化前后的釬桿運行疲勞算例,得到釬桿的生命周期如圖5所示。

  根據圖5可知,釬桿優化前后最小生命周期分別為3.445x1058.448x105,每周期1000個沖擊循環,可知液壓錘工作頻率約為800/分,計算出該釬桿的壽命:3.445x105x103/(800x60x24)=299();

  8.448x105x103/(800x60x24)=733(),可以看出通過結構優化后釬 桿壽命顯著增加,這也在我們的生產實踐中同時得到了驗證。

四、結論

  本文以釬桿為例,通過有限元軟件Solid Works Simulation進行結構的優化設計和疲勞壽命分析。不僅提高了產品的設計效率,而且也改善了產品的性能,預測的壽命與實際有較好的一致性。經過實際工程中的應用,優化后的釬桿在強度和使用壽命上都有了顯著提高,減輕了重量,取得了很好的經濟效益,也為其他規格的液壓錘合理匹配釬桿提供了理論依據。

 


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