基于ANSYS的齿轨卡轨车拉杆有限元分析

贺路生，吕振锋

（太原矿机电气科技有限公司，山西 太原 030032）

煤矿的现代化生产离不开煤矿运输设备，为了解决煤矿井下大型设备的运输问题，而生产的防爆柴油齿轨卡轨车不仅在运输能力上有所提高，其负载可以达到30t以上，而且其运输距离长，最大可以满足30°坡的使用。所以在煤矿井下被广泛使用。拉杆作为连接整套系统的重要组成部分，必须满足实际需求。在设备生产过程中，必须对拉杆进行试验，以保证其使用安全。

如果不对拉杆进行试验，一旦发生问题，将会造成严重问题，如图1为在进行拉杆试验时，由于设计不满足使用要求，所以拉杆发生断裂。

图1 拉杆断裂

目前经常采用的方法有使用ANSYS软件进行分析和实际实验工装进行拉力测试。先应用三维软件对其试验工装进行三维建模，然后使用ANSYS软件进行模拟仿真，可以避免出现由于设计不合理所造成的实验时出现的拉杆断裂的情况。

1 强度分析

1.1 理论分析

材料的破坏有两种类型：屈服失效和断裂失效。屈服失效是指材料出现显著的塑形变形而丧失其正常的工作能力。断裂失效又分为脆性断裂和韧性断裂。脆性断裂是指无明显的变形下突然断裂。韧性断裂是指产生大量塑形变形后断裂。

最大拉应力是材料引起脆性断裂破坏的主要因素，即不论材料处于简单还是复杂应力状态，只要最大拉应力σ1达到材料在单向拉伸时断裂破坏的极限应力σb，就会发生脆断破坏。

1.2 强度计算

拉杆和销轴材料采用40Cr，其抗拉强度≥735MPa，屈服强度≥540MPa。40cr钢材的许用应力有（安全系数n=1.34）：许用端面承压应力=548.6MPa；许用剪切应力=211.1MPa；许用抗压弯应力=365.7MPa。

图2 拉杆工装CAD图

（1）销轴强度校核

工作面的挤压：

校核安全。

（2）拉杆强度校核

d为销孔直径，r为销孔半径，R为销孔中心沿F力方向到耳板最外沿的半径，δ为拉杆厚度，(R-r)×δ就是剪切面积。

通过计算校核安全。

2 ANSYS分析

2.1 三维建模

在进行拉杆试验时，需要用销轴把拉杆和固定座固定在一起，但拉杆可以自由转动，不受影响。所以在进行有限元分析前，需要先应用三维软件SolidWorks对实验工装进行建模，其三维图形如图3所示。

图3 试验工装图

2.2 有限元分析

然后将其模型导入ANSYS workbench中进行有限元模拟仿真。在进行模拟仿真前需要赋予各模型其材料参数，如表1所示。

表1 实验工装各材料属性

在进行有限元静力学仿真时，先需要对其模型进行网格划分，然后通过约束把固定座底部固定，然后在拉杆头的另一端，施加一个拉力，为了满足拉杆在煤矿井下的使用，所以需要给其施加的拉力为40t，如图4所示。

图4 试验拉杆受力图

2.3 静力学分析

通过有限元模拟仿真，可以发现拉杆在受到40t拉力时，可以通过实验工装位移云图（图5）观察到其位移变形为0.12mm，通过其应力云图（图6）可以观察到其最大应力为203.43MPa。可以发现其拉杆满足材料要求，符合实验需要。然后通过对拉杆、固定块、销轴的不同应力云图（图7），可以观察到其最大应力点，将各点放入表格如表2所示。这些位置可以为我们提升拉杆强度，提供有效帮助。

表2 实验工装各材料最大应力

图5 试验工装位移云图

图6 试验工装应力云图

图7 拉杆应力云图

3 结语

通过有限元模拟仿真，可以发现其拉杆在受到40t拉力时，可以通过其位移云图观察到其位移变形为0.12mm，通过其应力云图可以观察到其最大应力为194.22MPa，满足使用要求。通过以上分析方法可以为拉杆的设计提供必要的帮助，同时可以避免因设计不合理所造成的损失。