楊 雄，蕭志鈺 （長江大學機械工程學院，湖北 荊州434023）

在礦山工程施工中，潛孔沖擊器憑借其特有的優(yōu)勢得到廣泛應用［1］?；钊菨摽讻_擊器中最重要部件之一，其受力最復雜且最易損壞。在潛孔沖擊器施工作業(yè)中，活塞的小徑圓角過渡部位會發(fā)生不同程度的斷裂 （見圖1），這嚴重影響了潛孔沖擊器的工作壽命。為解決上述問題，筆者應用通用有限元分析軟件ANSYS，對SRHD55B型潛孔沖擊器活塞進行了有限元動態(tài)仿真模擬分析，以了解圓角半徑和沖擊末速度對活塞應力應變的影響及其變化規(guī)律。

圖1 斷裂的活塞

1 潛孔沖擊器工作原理

潛孔沖擊器一般由活塞、鉆頭、巖石沖擊器組成［2］（見圖2），其具體工作原理是高壓氣體通過一定的氣路首先進入潛孔沖擊器的前腔，由于前腔內氣壓P2處于高壓狀態(tài)，后腔內氣壓P1處于低壓狀態(tài)，于是潛孔沖擊器內部的活塞開始做回程運動。當活塞回程到一定距離時，由于氣動沖擊器內部氣閥的變換，使得前腔內氣壓P2逐步下降，最后處于低壓狀態(tài)，而后腔內的氣壓P1轉變?yōu)楦邏籂顟B(tài)，活塞便依靠慣性繼續(xù)回程直至停止，然后做沖程運動。在沖程運動的末端，活塞以一定的速度撞擊鉆頭，使鉆頭獲得足夠的能量來破碎巖石，最終達到鑿巖鉆孔的效果。

圖2 氣動潛孔沖擊器的工作模型簡圖

圖3 活塞及鉆頭模型

2 動態(tài)仿真模擬分析

潛孔沖擊器的活塞撞擊鉆頭屬于狀態(tài)變化的非線性動力學接觸問題，可以在ANSYS LS－DYNA環(huán)境中對其進行分析，分別建立活塞和鉆頭的三維模型，定義活塞下端面與鉆頭上端面接觸，再進行網格劃分、加載并求解。為了簡化分析過程，做出以下假設［3］：①空氣壓縮機的氣體是理想氣體，系統(tǒng)內氣體的變化過程為氣體的絕熱過程；②前腔與后腔封閉時氣體的膨脹與收縮過程可看成是氣體的絕熱過程；③潛孔沖擊器內外泄露忽略不計；④活塞與內外缸之間的滑動摩擦力忽略不計。

2.1 沖擊末速度的影響

潛孔沖擊器的沖擊功、沖擊頻率等性能參數以及結構參數都與活塞的沖擊末速度密切相關［4］。因此，在潛孔沖擊器的設計中，首先要考慮活塞沖擊末速度的影響。

1）建模 根據活塞的結構和受力狀況，對活塞進行適當簡化，即省略上端用于通氣的環(huán)形槽結構，小徑圓角過渡部位嚴格按照結構尺寸并采用ANSYS LS－DYNA中3Dsolid164單元來進行分析。由于活塞的I處 （見圖1）是經常發(fā)生斷裂的部位，故在I處增加了網格的密度。整個模型剖分成2753個單元和3658個節(jié)點。用一圓柱代替鉆頭所建立的有限元模型如圖3所示。活塞材料選用20Cr2Ni4A，其彈性模量為2.11×109Pa，泊松比為0.3，密度為7800kg／m3，屈服強度為1292MPa。

2）加載 SRHD55B型潛孔沖擊器的活塞在1.41MPa的壓縮空氣推動下，從沖擊器的內缸頂端加速向下沖擊，以一定的末速度沖擊到鉆頭，與鉆頭碰撞后反彈，又在壓縮空氣推動下向上運行，一直到達內缸頂部，從而完成一個工作周期，如此反復。活塞的受力情況如下：大部分工作周期內，只受壓氣作用，活塞本身受到的作用力較?。换钊\行到內缸底端時與鉆頭碰撞，在極短時間內產生一個較大沖擊力作用到活塞上，并以應力波的形式在活塞內傳播［4］。為了模擬活塞的實際工況，在鉆頭底部施加約束，限制鉆頭所有自由度的運動，設定活塞離開鉆頭5mm，并給活塞施加一個初速度，該速度在5mm運行距離內不變。整個分析時間取為0.001s，分析時間步長10μs，并應用ANSYS軟件的LS－DYNA進行分析計算。

圖4 節(jié)點位置圖

圖5 8m／s時活塞小徑圓角過渡部位應力云圖

3）結果分析 在有限元分析過程中，活塞沖擊末速度分 別 取 值 6、7、8、9、10m／s，再分析其應力應變情況?；钊綀A角過渡部位節(jié)點位置圖如圖4所示。8m／s時活塞小徑圓角過渡部位應力云圖如圖5所示。從圖5可知，在活塞的小徑圓角過渡部位出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象。不同沖擊末速度下各節(jié)點等效應力、應變變化圖分別如圖6和圖7所示。從圖6和圖7可知，Ⅰ～Ⅴ節(jié)點等效應力、應變隨著沖擊末速度的增加而增加，活塞最大應力應變節(jié)點是位于活塞外表面的小徑圓角過渡部位，沿著活塞中心孔半徑方向，越靠近內表面，應力值越小，且在外表面應力應變下降的速度最快：從節(jié)點Ⅰ到節(jié)點Ⅱ應力平均下降14.84%，從節(jié)點Ⅰ到節(jié)點Ⅱ應變平均下降59.7%，均呈急劇下降趨勢；而其他節(jié)點應力應變變化不大，應力平均下降0.2%左右，應變平均下降不超過8%。由于活塞外表面應力、應變的快速變化，導致結構較為脆弱，因而使活塞容易發(fā)生斷裂。

2.2 圓角半徑的影響

活塞小徑圓角過渡部位的圓角半徑大小會影響該部位應力集中。在分析過程中，設定活塞沖擊末速度為8m／s，分別取圓角半徑值為14、15、16、17和18mm，在LS－DYNA中進行動態(tài)仿真模擬分析。圖8、圖9所示分別是不同圓角半徑的圓角過渡處最大應力、應變變化圖。

從圖8和圖9可以看出，活塞小徑圓角過渡部位的圓角半徑對應力集中產生較大影響，即活塞小徑圓角過渡部位最大應力、應變值隨著圓角半徑的增大而減小，尤其是圓角半徑由16mm增加到17mm時，應力、應變減小趨勢最大。

圖6 不同沖擊末速度下各節(jié)點等效應力變化圖

圖7 不同沖擊末速度下各節(jié)點應變變化圖

圖8 不同圓角半徑的圓角過渡部位最大應力變化圖

圖9 不同圓角半徑的圓角過渡部位最大應變變化圖

3 結 論

（1）活塞最大應力應變節(jié)點是位于活塞外表面的小徑圓角過渡部位，沿著活塞中心孔半徑方向，越靠近內表面，應力值越小，且在外表面應力應變下降的速度最快。由于活塞外表面應力、應變的快速變化，使其結構較為脆弱，導致活塞容易發(fā)生斷裂。

（2）活塞小徑圓角過渡部位的圓角半徑對應力集中產生較大影響，即活塞小徑圓角過渡部位最大應力、應變值隨著圓角半徑的增大而減小，尤其是圓角半徑由16mm增加到17mm時，應力、應變減小趨勢最大。

［1］朱麗紅.GQ89潛孔錘活塞的優(yōu)化設計及有限元分析 ［J］.建筑機械，2009，28（12）：87－89.

［2］高麗穩(wěn)，周志鴻 .沖擊機械活塞強度研究的現(xiàn)狀 ［J］.工程機械，2005，35（1）：37－49.

［3］薛二鵬，王立華；宋森熠 .液壓鑿巖機活塞疲勞強度分析 ［J］.礦山機械，2008，34（3）：19－21.

［4］詹軍，殷琨，于清楊，等 .風動沖擊器活塞沖擊末速度的有限元研究 ［J］.煤田地質與勘探，2003，30（3）：58－60.