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乳化液泵是液壓支架的動力源，是現(xiàn)代化綜采工作面必不可少的重要設(shè)備。乳化液泵吸排液閥的作用是通過柱塞的往復(fù)運動，實現(xiàn)周期性的啟閉，從而交替地連通和阻斷柱塞工作腔與吸、排液管道之間的通道，從而實現(xiàn)泵的吸液和排液過程。在高壓大流量的工作條件下，吸排液閥存在著銹蝕、氣蝕、磨損等問題，因此在乳化液泵工作一段時間后，需要對吸排液閥進行拆解，對受損零件進行維修或更新。閥座拉升器是為了提高乳化液泵吸排液閥拆卸效率而設(shè)計的一套簡易裝置。該裝置通過將施加給螺母的力矩，轉(zhuǎn)化為提升塊對閥座的拉力，從而實現(xiàn)對閥座高效的拆卸。在使用閥座拉升器一段時間后，發(fā)現(xiàn)拉升器提升塊出現(xiàn)了較大裂紋。通過失效有限元分析得知：由于提升塊在一個力矩加載周期內(nèi)，將受到交變載荷的作用，因而在提升塊使用一段時間后，其內(nèi)部會萌發(fā)初始裂紋并在此基礎(chǔ)上逐漸擴展，最終以復(fù)合型裂紋擴展方式失效。筆者采用基于線彈性斷裂力學的有限元增量裂紋擴展法，對拉升器提升塊裂紋擴展的長度和方向進行了預(yù)測和分析。
斷裂力學起源于20世紀初，是研究含裂紋物體強度及裂紋擴展規(guī)律的一門科學，并已在航空航天、交通運輸、礦山冶金、機械、材料、能源、化工等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在斷裂力學里，裂紋根據(jù)受力情況不同，可分為張開型(I型)、滑開型(II型)和撕開型(IQ型)3種基本類型。I型裂紋受到垂直于裂紋平面的拉應(yīng)力作用，裂紋表面位移垂直于裂紋平面，II型和IQ型裂紋均受到平行于裂紋平面的剪應(yīng)力，不同的是，II型裂紋表面位移垂直于裂紋前緣線，而IQ型裂紋表面位移平行于裂紋前緣線。
在1957年首次提出用應(yīng)力強度因子K表征裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài)。
1)理論受力分析。在Pro/E中建立拉升器的三維模型。拉升器工作原理大致為：使用拉升器時，首先將限位蓋與閥體以及M20螺母與推力軸承貼緊，之后用力矩扳手對M20螺母施加轉(zhuǎn)矩，由于限位蓋與閥體的相對位置固定，因此螺桿將帶動提升塊及閥座向上運動。
2)有限元應(yīng)力分析。將Pro/E中創(chuàng)建的提升塊模型導(dǎo)入到有限元軟件ABAQUS中，并對模型的材料屬性、載荷和邊界條件、網(wǎng)格劃分進行定義。提升塊的材料為45號鋼，其彈性模量為200 GPa，泊松比為0.27，密度為7.89xe3 kg/m3，屈服應(yīng)力為355 MPa，強度極限為600 MPa，斷裂韌性為1902MPa/mm。有限元模型加載的載荷和邊界條件的定義為：提升塊受到豎直向下的壓力，并且提升塊底部平面的3個方向的自由度被約束。選用三維線性縮減積分單元進行網(wǎng)格劃分，共劃分2128個單元。
通過分析失效的提升塊裂紋擴展路徑可知：在裂紋擴展初期，裂紋尖端以II型剪切應(yīng)力為主，因此裂紋擴展方向平行于受力方向，并在豎直方向生成了2.4 mm的II型裂紋，當裂紋擴展到一定階段后，裂紋尖端則受到I+II混合型應(yīng)力場作用，使得裂紋擴展方向發(fā)生了變化，裂紋開始沿著與拉升器對稱中心線成近45°的方向進行擴展。
綜合考慮提升塊的結(jié)構(gòu)對稱的特點和仿真計算的效率等方面的因素，采用二維有限元模型，對裂紋擴展進行模擬。假設(shè)初始裂紋長度a=2.4mm，求得的最大應(yīng)力位置，并通過ABAQUS中的seam-crack方法定義裂紋尖端點及虛擬裂紋擴展方向。為了增加求解的準確性，有限元采用1/4奇異單元來模擬裂紋尖端奇異性，其他區(qū)域單元皆應(yīng)用平面應(yīng)變單元。最大應(yīng)力202.7 MPa，約為0.57倍的屈服應(yīng)力。因此在開始使用拉升器時，提升塊的強度滿足要求。但隨著每一次施加力矩的過程，提升塊受到416 MPa的循環(huán)應(yīng)力作用，金屬表面晶體結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生局部的滑移，這種滑移累積起來，就形成了疲勞裂紋源，而疲勞裂紋源將隨著交變載荷的不斷作用，將逐漸擴展成可見的裂紋，并最終導(dǎo)致材料失效。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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