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乳化液泵是液壓支架的動力源，是現代化綜采工作面必不可少的重要設備。乳化液泵吸排液閥的作用是通過柱塞的往復運動，實現周期性的啟閉，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計的一套簡易裝置。該裝置通過將施加給螺母的力矩，轉化為提升塊對閥座的拉力，從而實現對閥座高效的拆卸。在使用閥座拉升器一段時間后，發現拉升器提升塊出現了較大裂紋。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，將受到交變載荷的作用，因而在提升塊使用一段時間后，其內部會萌發初始裂紋并在此基礎上逐漸擴展，最終以復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、化工等領域得到廣泛應用。在斷裂力學里，裂紋根據受力情況不同，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年首次提出用應力強度因子K表征裂紋尖端的應力狀態。
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)有限元應力分析。將Pro/E中創建的提升塊模型導入到有限元軟件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混合型應力場作用，使得裂紋擴展方向發生了變化，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構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。假設初始裂紋長度a=2.4mm，求得的最大應力位置，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，其他區域單元皆應用平面應變單元。最大應力202.7 MPa，約為0.57倍的屈服應力。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的循環應力作用，金屬表面晶體結構中會產生局部的滑移，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，并最終導致材料失效。
專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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