潛孔沖擊器活塞的有限元?jiǎng)討B(tài)仿真模擬分析

楊 雄，蕭志鈺 （長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434023）

在礦山工程施工中，潛孔沖擊器憑借其特有的優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用［1］。活塞是潛孔沖擊器中最重要部件之一，其受力最復(fù)雜且最易損壞。在潛孔沖擊器施工作業(yè)中，活塞的小徑圓角過渡部位會(huì)發(fā)生不同程度的斷裂 （見圖1），這嚴(yán)重影響了潛孔沖擊器的工作壽命。為解決上述問題，筆者應(yīng)用通用有限元分析軟件ANSYS，對(duì)SRHD55B型潛孔沖擊器活塞進(jìn)行了有限元?jiǎng)討B(tài)仿真模擬分析，以了解圓角半徑和沖擊末速度對(duì)活塞應(yīng)力應(yīng)變的影響及其變化規(guī)律。

圖1 斷裂的活塞

1 潛孔沖擊器工作原理

潛孔沖擊器一般由活塞、鉆頭、巖石沖擊器組成［2］（見圖2），其具體工作原理是高壓氣體通過一定的氣路首先進(jìn)入潛孔沖擊器的前腔，由于前腔內(nèi)氣壓P2處于高壓狀態(tài)，后腔內(nèi)氣壓P1處于低壓狀態(tài)，于是潛孔沖擊器內(nèi)部的活塞開始做回程運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞回程到一定距離時(shí)，由于氣動(dòng)沖擊器內(nèi)部氣閥的變換，使得前腔內(nèi)氣壓P2逐步下降，最后處于低壓狀態(tài)，而后腔內(nèi)的氣壓P1轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏籂顟B(tài)，活塞便依靠慣性繼續(xù)回程直至停止，然后做沖程運(yùn)動(dòng)。在沖程運(yùn)動(dòng)的末端，活塞以一定的速度撞擊鉆頭，使鉆頭獲得足夠的能量來破碎巖石，最終達(dá)到鑿巖鉆孔的效果。

圖2 氣動(dòng)潛孔沖擊器的工作模型簡(jiǎn)圖

圖3 活塞及鉆頭模型

2 動(dòng)態(tài)仿真模擬分析

潛孔沖擊器的活塞撞擊鉆頭屬于狀態(tài)變化的非線性動(dòng)力學(xué)接觸問題，可以在ANSYS LS－DYNA環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行分析，分別建立活塞和鉆頭的三維模型，定義活塞下端面與鉆頭上端面接觸，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載并求解。為了簡(jiǎn)化分析過程，做出以下假設(shè)［3］：①空氣壓縮機(jī)的氣體是理想氣體，系統(tǒng)內(nèi)氣體的變化過程為氣體的絕熱過程；②前腔與后腔封閉時(shí)氣體的膨脹與收縮過程可看成是氣體的絕熱過程；③潛孔沖擊器內(nèi)外泄露忽略不計(jì)；④活塞與內(nèi)外缸之間的滑動(dòng)摩擦力忽略不計(jì)。

2.1 沖擊末速度的影響

潛孔沖擊器的沖擊功、沖擊頻率等性能參數(shù)以及結(jié)構(gòu)參數(shù)都與活塞的沖擊末速度密切相關(guān)［4］。因此，在潛孔沖擊器的設(shè)計(jì)中，首先要考慮活塞沖擊末速度的影響。

1）建模 根據(jù)活塞的結(jié)構(gòu)和受力狀況，對(duì)活塞進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，即省略上端用于通氣的環(huán)形槽結(jié)構(gòu)，小徑圓角過渡部位嚴(yán)格按照結(jié)構(gòu)尺寸并采用ANSYS LS－DYNA中3Dsolid164單元來進(jìn)行分析。由于活塞的I處 （見圖1）是經(jīng)常發(fā)生斷裂的部位，故在I處增加了網(wǎng)格的密度。整個(gè)模型剖分成2753個(gè)單元和3658個(gè)節(jié)點(diǎn)。用一圓柱代替鉆頭所建立的有限元模型如圖3所示。活塞材料選用20Cr2Ni4A，其彈性模量為2.11×109Pa，泊松比為0.3，密度為7800kg／m3，屈服強(qiáng)度為1292MPa。

2）加載 SRHD55B型潛孔沖擊器的活塞在1.41MPa的壓縮空氣推動(dòng)下，從沖擊器的內(nèi)缸頂端加速向下沖擊，以一定的末速度沖擊到鉆頭，與鉆頭碰撞后反彈，又在壓縮空氣推動(dòng)下向上運(yùn)行，一直到達(dá)內(nèi)缸頂部，從而完成一個(gè)工作周期，如此反復(fù)。活塞的受力情況如下：大部分工作周期內(nèi)，只受壓氣作用，活塞本身受到的作用力較小；活塞運(yùn)行到內(nèi)缸底端時(shí)與鉆頭碰撞，在極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)較大沖擊力作用到活塞上，并以應(yīng)力波的形式在活塞內(nèi)傳播［4］。為了模擬活塞的實(shí)際工況，在鉆頭底部施加約束，限制鉆頭所有自由度的運(yùn)動(dòng)，設(shè)定活塞離開鉆頭5mm，并給活塞施加一個(gè)初速度，該速度在5mm運(yùn)行距離內(nèi)不變。整個(gè)分析時(shí)間取為0.001s，分析時(shí)間步長(zhǎng)10μs，并應(yīng)用ANSYS軟件的LS－DYNA進(jìn)行分析計(jì)算。

圖4 節(jié)點(diǎn)位置圖

圖5 8m／s時(shí)活塞小徑圓角過渡部位應(yīng)力云圖

3）結(jié)果分析 在有限元分析過程中，活塞沖擊末速度分 別 取 值 6、7、8、9、10m／s，再分析其應(yīng)力應(yīng)變情況。活塞小徑圓角過渡部位節(jié)點(diǎn)位置圖如圖4所示。8m／s時(shí)活塞小徑圓角過渡部位應(yīng)力云圖如圖5所示。從圖5可知，在活塞的小徑圓角過渡部位出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。不同沖擊末速度下各節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力、應(yīng)變變化圖分別如圖6和圖7所示。從圖6和圖7可知，Ⅰ～Ⅴ節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力、應(yīng)變隨著沖擊末速度的增加而增加，活塞最大應(yīng)力應(yīng)變節(jié)點(diǎn)是位于活塞外表面的小徑圓角過渡部位，沿著活塞中心孔半徑方向，越靠近內(nèi)表面，應(yīng)力值越小，且在外表面應(yīng)力應(yīng)變下降的速度最快：從節(jié)點(diǎn)Ⅰ到節(jié)點(diǎn)Ⅱ應(yīng)力平均下降14.84%，從節(jié)點(diǎn)Ⅰ到節(jié)點(diǎn)Ⅱ應(yīng)變平均下降59.7%，均呈急劇下降趨勢(shì)；而其他節(jié)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變變化不大，應(yīng)力平均下降0.2%左右，應(yīng)變平均下降不超過8%。由于活塞外表面應(yīng)力、應(yīng)變的快速變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)較為脆弱，因而使活塞容易發(fā)生斷裂。

2.2 圓角半徑的影響

活塞小徑圓角過渡部位的圓角半徑大小會(huì)影響該部位應(yīng)力集中。在分析過程中，設(shè)定活塞沖擊末速度為8m／s，分別取圓角半徑值為14、15、16、17和18mm，在LS－DYNA中進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真模擬分析。圖8、圖9所示分別是不同圓角半徑的圓角過渡處最大應(yīng)力、應(yīng)變變化圖。

從圖8和圖9可以看出，活塞小徑圓角過渡部位的圓角半徑對(duì)應(yīng)力集中產(chǎn)生較大影響，即活塞小徑圓角過渡部位最大應(yīng)力、應(yīng)變值隨著圓角半徑的增大而減小，尤其是圓角半徑由16mm增加到17mm時(shí)，應(yīng)力、應(yīng)變減小趨勢(shì)最大。

圖6 不同沖擊末速度下各節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力變化圖

圖7 不同沖擊末速度下各節(jié)點(diǎn)應(yīng)變變化圖

圖8 不同圓角半徑的圓角過渡部位最大應(yīng)力變化圖

圖9 不同圓角半徑的圓角過渡部位最大應(yīng)變變化圖

3 結(jié) 論

（1）活塞最大應(yīng)力應(yīng)變節(jié)點(diǎn)是位于活塞外表面的小徑圓角過渡部位，沿著活塞中心孔半徑方向，越靠近內(nèi)表面，應(yīng)力值越小，且在外表面應(yīng)力應(yīng)變下降的速度最快。由于活塞外表面應(yīng)力、應(yīng)變的快速變化，使其結(jié)構(gòu)較為脆弱，導(dǎo)致活塞容易發(fā)生斷裂。

（2）活塞小徑圓角過渡部位的圓角半徑對(duì)應(yīng)力集中產(chǎn)生較大影響，即活塞小徑圓角過渡部位最大應(yīng)力、應(yīng)變值隨著圓角半徑的增大而減小，尤其是圓角半徑由16mm增加到17mm時(shí)，應(yīng)力、應(yīng)變減小趨勢(shì)最大。

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