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）

煤礦的現代化生產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的重要組成部分，必須滿足實際需求。在設備生產過程中，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，所以拉桿發生斷裂。

圖1 拉桿斷裂

目前經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，可以避免出現由于設計不合理所造成的實驗時出現的拉桿斷裂的情況。

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，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，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，可以發現拉桿在受到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。可以發現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 結語

通過有限元模擬仿真，可以發現其拉桿在受到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。