引言
液壓缸、絞車及電動推桿等廣泛應用于礦山等諸多行業(yè)領域,在工程實踐中該部分設備需根據使用場合設計與之相應的支架進行支護或支撐。雖然支架具有不同的結構,但受力是相同的,支架在工作時主要受拉、壓及傾覆力矩作用。傳統(tǒng)支架結構大多為焊接件,存在焊接變形,消耗材料多,整體過于笨重,工藝流程和運輸過程更為繁雜,生產效率低等問題[2]。針對傳統(tǒng)液壓缸支架存在的諸多問題,本文對支架結構進行了優(yōu)化,在提升生產效率的同時控制了生產成本,也為其他支架結構的設計提供了一定的理論借鑒。
1有限元分析
1.1結構優(yōu)化與ANsYs建模
構建液壓缸支架三維模型[3]如圖1所示。圖1(a)為傳統(tǒng)支架結構,肋板多、結構復雜:圖1(b)為優(yōu)化結構,采用較軸孔與立板直接連接,去除了肋板,減少了焊接結構,使結構簡單化。
液壓缸支架由○235-A焊接構成,在有限元分析軟件中設定材料屬性[4],如表1所示。
文中通過so1idworks2015構建三維模型[5],并導入ANsYsworkbench進行網格劃分[6],劃分結果如圖2所示。
有限元分析時首先需對模型設定適當的接觸形式。ANsYsworkbench具備五種裝配體接觸形式,分別為:綁定、不分離、有摩擦、無摩擦及粗糙[7]。根據實際使用情況,本文采用綁定接觸形式模擬支架部件失效前兩焊接面接觸形式,即無滑動或分離。
定義接觸形式后需對模型施加適當邊界條件,進而模擬實際工況下受力情況[8]。對設備施加500kN載荷,液壓缸與支架為銷軸連接,支架銷軸孔受500kN水平壓力。通過螺栓組將底板和側液壓缸支架固連,底板為固定約束,支架載荷約束模型如圖3所示。
1.2受力分析
傳統(tǒng)形式與優(yōu)化后形式支架受載后變形均為自上而下減小,頂部由于受力集中,變形量最大,兩種形式最大變形量分別為0.58mm及0.82mm。支架等效應力云圖如圖4所示。
傳統(tǒng)支架最大等效應力位于銷軸孔-螺栓連接處,為324.45MPa,超過材料屈服應力235MPa,此時為避免壓潰需增加材料厚度或改用新材料:銷軸孔板最大應力值為108~324MPa,應適當增加較軸孔板的厚度:液壓缸軸線方向1/3肋板受力值為36~144MPa,垂直軸線方向肋板受力相對較小,可忽略。由此可知,傳統(tǒng)形式支架經改進可滿足應用需求,但無法充分利用材料的許用應力,增加成本,也使支架整體質量偏大。
優(yōu)化后支架最大等效應力為233.48MPa,小于材料屈服應力,與傳統(tǒng)形式支架相比,最大等效應力降低28%。同時較軸孔板受力有所降低,為25~233MPa:其余部分鋼板應力值大多小于155MPa。結構優(yōu)化后支架不僅可以滿足使用要求,且可將材料的許用應力完全利用,有效節(jié)約了材料,控制了生產成本。
2螺栓組連接受力分析及強度校核
2.1螺栓組連接的受力分析
液壓缸支架底板結構及受力簡圖如圖5所示。傾覆力矩為M,通過m-m軸線并垂直于接合面的對稱平面。圖5(b)中支架在無傾覆力矩M時,螺栓在預緊力F0作用下有所伸長,地基或底座在F0作用下壓縮。如圖5(c)所示,加載傾覆力矩M后,底板繞軸線0-0轉動一定角度,此時軸線左側螺栓進一步拉伸,底座放松:右側相反。
上述過程可通過單個螺栓-底座的受力和變形情況進行說明,如圖6所示。為簡化計算,將底板和底座之間作用力等效為施加于各螺栓中心的集中力,螺栓和底座變形分別以0bA和0mA表示。
在未施加M之前底座、螺栓工作點均為A點,支架底板合力為0:施加M后,軸線右側螺栓工作點移至B2點,底座工作點移至C2點,底板上兩者合力與載荷Fm相等,方向向上:在軸線左側,螺栓工作點移至B1點,底座工作點移至C1點,底板上兩者合力為螺栓工作載荷F,方向向下,載荷F與Fm大小相同。傾覆力矩等于作用于兩側底板合力矩,即:
因此,螺栓最大工作載荷為:
式中,Z為螺栓總數:Li為螺栓與底板軸線之間距離。
為避免螺栓-底板接合面最大受壓處被壓潰,應對接合面底板壓應力最大值進行校核,即:
式中,ap為受載前預緊力產生的擠壓應力(MPa):Aapmax為受載后接合面產生的附加擠壓應力最大值(MPa):[ap]為許用擠壓應力(MPa):A為接合面面積(mm2)。
為避免受壓最小處存在間隙,應當校核受載后最小壓應力大于0,即:
對于剛性較大的底座,螺栓剛度相對較小,因此Aapmax可近似為:
式中,W為有效抗彎截面系數。
2.2螺栓組連接強度校核
按照螺栓連接類型、裝配情況、載荷狀態(tài)確定螺栓受力及其最大值,并依照強度條件對螺栓組強度進行校核。由式(2)計算可得螺栓最大拉應力,除此之外,螺栓受螺紋摩擦力產生扭轉切應力。因此,在進行強度校核時應對拉應力及扭轉切應力進行綜合分析。
螺栓危險截面所受拉應力為:
式中,d1為螺栓小徑(mm)。
對于普通螺栓,其危險截面切應力為:
螺栓材料為塑性材料,由第四強度理論可得螺栓強度條件為:
式中,[α]為螺栓許用應力(MPa)。
3結語
針對傳統(tǒng)液壓缸支架存在的焊接變形和整體質量較大等問題,對支架結構進行了優(yōu)化。優(yōu)化后結構焊接部件少,減少了焊接變形,簡化了工藝,提高了生產效率。利用solidworks構建了傳統(tǒng)形式和優(yōu)化形式支架的三維模型,并通過ANsYsworkbench進行有限元分析。由分析結果可知,傳統(tǒng)形式支架通過增加鋼板厚度無法提升強度,且造成了材料浪費:而通過等應力理論對支架結構進行優(yōu)化,能夠減輕設備質量,降低成本,提升企業(yè)經濟效益,這為其他受力相似支架的結構設計提供了理論指導。
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