基于SolidWorks Simulation的液压破碎锤钎杆优化及疲劳分析

    液压破碎锤冲击过程是一个典型的二元冲击系统，活塞不是直接撞击工作介质，而是通过弹性杆将能量传递给工作介质的。当活塞以一定的冲击末速度撞击钎尾，并将若干能量以应力波形式和一定的波速，由钎柄沿着钎杆向钎头方向传播。物理实质是将一长时间作用的力转化为一脉冲力，这一脉冲力可在瞬时提供足够高的应力幅值，用来破碎岩石，钎杆作为能量传递的器具，受力状况尤为恶劣，常出现早期强度不足和疲劳断裂等不同原因的失效，本文利用有限元软件 Simulation对一型号钎杆建立了有限元模型，在对其静力学分析的基础上进行了结构优化和疲劳分析，确定出合理的几何参数和寿命周期，设计的结果为液压锤合理匹配钎杆提供依据。

1、结构及工况简介

    1.1 初始结构

    钎杆初始结构尺寸如图1所示，所选用的材料是42CrMo,其主要参数性能为：弹性模量E=212GPa。

图1 钎杆初始结构尺寸

    泊松比u=0.28，屈服强度=930MPa。

    1.2 工况及设计要求

    由于活塞打击钎杆后，能量以应力波的形式传递，由波动理论可知作用在钎杆上的载荷和动态凿入系数相关，动态凿入系数是指某一岩石对一给定直径的压头(或钎头)产生单位凿深所需的力，经试验后通常取钎头直径时的动态凿入系数。对于不同直径的钎杆，可认为其凿头直径等于凿杆(钎杆)直径，其对应的凿入系数

    经核算动态凿入系数约为625。由于液压锤的活塞和钎杆都属于大尺寸结构件。尺寸愈大的构件其发生微裂纹扩展的概率愈大，根据疲劳强度统计理论，在强度校核中应考虑尺寸影响系数，算出当量应力值。

    经计算=1.41，由于钎杆在使用过程中，会出现不同的使用工况，本文只对钎杆在垂直于工作对象的状态下进行静力学分析，所以要求在工作时承受应力不得超过许用应力320MPa，安全系数≥3。此外，在满足强度的前提下，获得最优结构尺寸和重量，以满足经济性的设计要求。

    1.3 有限元模型 

    静态研究阶段所关注的重点是零件所承受的最大应力和设计安全系数。在软件状态下启动 SimulationWorks管理程序，建立静态研究算例，并设置结算器为Direct sparse，按工况要求添加材质、约束及压力并进行网格化分。为了保证计算的精确度，本文中采用四面体网格，网格的大小为9.449mm，共计50149个单元。运行静态研究获得钎杆的应力、设计安全系数如图2所示。由图2可知钎杆承受最大应力为284MPa，小于材料的屈服强度；设计最小安全系数为3.27，满足设计要求。