1、基于 ansys 的破碎锤有限元分析1 破碎锤的力学模型 破碎锤是一种将液压能转变为机械冲击能的破碎机具。在国内外广泛应用于矿山、冶金、市政工程、道路工程等行业施工中。液压锤工作环境恶劣、对零部件结构、材质、制造工艺都有相当高的技术要求。 液压破碎锤结构如图 1 所示，由活塞 1，缸体 2 和钎杆 3 组车。活塞 1 在缸体 2 中以一定的速度 V 从左向右加速移动，如此反复。活塞 1 是将液压能转化为机械冲击能的零件，受到液压力的推动，以一定的冲击速度撞击钎杆 3，钎杆 3 再作用到工作对象上（工作的初期破碎锤的钎杆压在工作对象上，避免空打）。然后活塞再在液压阀的作用下回到最左端，如此往复，
2、工作频率可达 510Hz。图 2 和图 3 给出了活塞和钎杆模型的尺寸，以便后续有限元模型的建立。 图 1 液压破碎锤的工作原理与结构图 3 钎杆尺寸图2 液压破碎锤的有限元分析 2.1 液压破碎锤的有限元模型 本文采用 solid186 单元，来划分活塞和钎杆模型。活塞、钎杆的材料相同：钢弹性模量E=2.07e11Pa；密度 =7950kg/m3 ；泊松比 =0.3。边界条件：碰撞活塞的 x 方向初始速度为 9m/s，其他方向的位移进行约束，钎杆的尾部固定；利用面-面的柔性接触来模拟活塞和钎杆的碰撞接触。 2.2 液压破碎锤的计算结果及讨论 在工程设计中，只关心最大应力区域的变化情况，本文中
3、活塞和钎杆的顶部在碰撞过车功能中应力变化最为剧烈，因此是本文重点的研究对象，活塞顶部以 1140 节点为研究对象如图 5 所示： 图 5 活塞顶部的局部有限元模型图 6-图 8 分别给出了此节点的速度、x 方向的应力，等效应力随时间的变化情况。由图 6可知，活塞顶部 1140 节点的速度大小随时间的先减小后增加，这是由于开始碰撞时速度会减小后来由于钎杆对其反作用，会使其速度反方向增大，图 6 的计算结果是符合工程实际的。由图 7 可知，1140 节点处 x 方向的应力大小随时间先增大后减小然后在零位置处上上下摆动，增大也是因为碰撞造成的，然后分离时应力就会减小。 图 6 1140 节点处的 x
4、 方向速度与时间的关系图 7 1140 节点处的 x 方向应力与时间的关系在图 8 中也可以看出类似的规律，并且最大的等效应力发生在初始碰撞时刻，即 0.00105s时，其大小为 0.247273E+09Pa。图 7 和图 8 中，应力出现第 2 次峰值是由于应力波传至边界反射造成的，由于物体中存在阻尼，因此第二次峰值小于第一次峰值。 图 8 1140 节点处等效应力与时间的关系图 9 给出了碰撞初始时，活塞顶部局部的等效应力云图，由此图可知：最大的等效应力发生在距离活塞中心一定距离的圆环处，并且其值为 0.433E+09 Pa，这对实际的工程设计中有一定的指导意义。 图 9 碰撞开始瞬间活塞
5、顶部的应力等效云图图 10 活塞顶部局部有限元模型图 11-图 13 分别给出了此节点的速度、x 方向的应力，等效应力随时间的变化情况。由图11 可知，钎杆顶部 7814 节点的速度大小随时间的先增加后减小，这是由于开始碰撞时速度会为 0 由于活塞对其作用才会产生运动，图 11 的计算结果是符合工程实际的。由图 12可知，7814 节点处 x 方向的应力大小随时间先增大后减小然后在零位置处上上下摆动，增大也是因为碰撞造成的，然后分离时应力就会减小。在图 13 中也可以看出类似的规律，并且最大的等效应力发生在初始碰撞时刻，即 0.00105s 时，其大小为0.260489E+09Pa。图 12
6、和图 13 中，应力出现第 2 次峰值是由于应力波传至边界反射造成的，由于物体中存在阻尼，因此第二次峰值小于第一次峰值。 图 11 7814 节点处 x 方向速度与时间的关系图 12 7814 节点处 x 方向应力与时间的关系图 13 图 11 7814 节点处等效应力与时间的关系图 14 给出了碰撞初始时，活塞顶部局部的等效应力云图，由此图可知：最大的等效应力发生在距离钎杆里边缘这是由于在几何尺寸上的突变造成应力剧烈变化，并且其值为0.496E+09 Pa，这对实际的工程设计中有一定的指导意义。 图 14 碰撞开始瞬间钎杆的等效应力云图3 结论 通过以上计算和分析可以得到以下结论： （1）利用有限元方法可以很好的捕捉到活塞与钎杆碰撞中应力波的传递。 （2）活塞的最大等效应力发生在剧烈活塞中心一定距离的圆环处，而钎杆的最大等效应力发生在内边缘处，且钎杆的最大等效应力大于活塞的等效应力，这对实际的破碎机设计有着重要的意义。 （3）应力在钎杆和活塞中由于应力的波传递和反射会出现几个应力峰值，但只有首峰值为最大值，因此在实际设计中我们只需考虑首峰值的大小。(end)
