基于ABAQUS的滑轨板有限元分析

李和勤，王统顺

（1.徐州和润起重设备技术有限公司，江苏 徐州 221131；2.上海世邦工业科技集团股份有限公司，上海 200120）

滑轨板是凿岩机械手装置中重要的受力元件之一，其受力情况直接影响凿岩机械手的整体承受载荷和受力变形变形情况，从而影响机械手的运动平稳性。由于滑轨板的结构较为复杂，通过传统的受力分析和解析计算无法准确预测其受力变形情况，因此，文章基于ABAQUS软件对其进行有限元分析，研究其受力后的应力、应变情况，分析其结果并提出改进措施。

1 滑轨板的结构分析

1.1 多功能凿岩机械手的构成

多功能凿岩机械手主要包括主升降系统、副升降系统、回转系统、伸缩臂和摆动系统，如图1所示。

图1 多功能凿岩机械手的机械结构

主升降系统沿左右方向水平安装在牵引机的车体底盘的后端，主升降系统的两端设有竖直设置的伸缩支撑腿，其中伸缩支撑腿液压缸是双向伸缩液压缸。副升降系统竖直方向安装在主升降系统的中部位置。主升降系统通过前后方向设置的主升降系统推移液压缸与牵引机的车体底盘的后端安装连接、且主升降系统与牵引机的车体底盘之间设置有导向滑轨。

回转系统安装在副升降系统上，包括回转支撑和回转驱动。回转系统通过竖直方向设置的回转系统升降液压缸与副升降系统安装连接、且回转系统与副升降系统之间设置有导向滑轨。

伸缩臂包括基础臂和一节伸缩节臂，基础臂固定安装在回转系统的回转支撑上、且伸缩臂的伸缩方向沿回转系统的回转支撑的径向方向设置，伸缩节臂套接安装在基础臂内部、且伸缩节臂通过伸缩臂伸缩液压缸与基础臂连接。摆动系统包括开槽工具回转驱动、L型连接件和开槽工具。开槽工具回转驱动固定安装在L型连接件上并通过L型连接件与伸缩节臂的端部安装连接、且开槽工具回转驱动的回转轴线前后方向设置；开槽工具包括锯盘，锯盘通过快速连接机构与开槽工具回转驱动的回转输出轴连接。

摆动系统还包括第一回转装置，L型连接件通过第一回转装置与伸缩臂的端部安装连接，第一回转装置的回转轴线竖直方向设置，第一回转装置的回转输出轴与L型连接件固定连接，第一回转装置的本体与伸缩臂的端部安装连接；开槽工具还包括钻头，钻头尾部设有快速连接机构。摆动系统还包括第二回转装置，第二回转装置通过第二回转装置与伸缩臂的端部安装连接，第二回转装置的回转轴线前后方向设置，第二回转装置的回转输出轴与第一回转装置的本体固定连接，第二回转装置的本体与伸缩臂的端部安装连接。L型连接件上还设有液压钳。

2 基于ABAQUS的滑轨板有限元分析

对三维模型进行提取，为便于有限元分析计算，在保证求解结果准确、合理的前提下，对三维模型进行简化，去掉其不必要的倒角和圆角→定义单元类型，考虑到凿岩机械手各零部件结构比较复杂，采用8节点的四面体Brick8 node45单元类型→定义材料属性，包括弹性模量、泊松比和密度等→划分网格，主要考虑零部件的结构及计算机的计算能力→选择合适的部位施加约束条件→施加载荷。根据 应力集中最大、最易损坏的部位所处位置，施加合适载荷对位移、应力、应变等进行求解计算→查看求解结果→修改参数，优化结构和尺寸。

2.1 滑轨板的有限元模型

滑轨板材料采用Q235号钢，该材料的弹性模量，泊松比。在有限元分析前需要对模型进行必要的简化，忽略其它结构。

2.2 定义边界条件与施加载荷

滑轨板其定位是用平面定位，在编辑边界条件时，文章采用ENCASTRE，约束了其所有的自由度。滑轨板的铰接部分主要承受夹具竖直方向下的力，由上述受力分析可知，滑轨板的正反承受载荷为1 MPa，铰链承受载荷为5 MPa。

2.3 模型的网格划分

网格划分是决定分析精度的重要环节。对滑轨板结构的网格划分影响着分析的结果。由于该滑轨板的模型较为复杂，为避免使用分割操作而导致的工作量增加和人工操作可能引起的误差，文章采用二次四面体单元进行网格划分。网格的大小影响着分析的精度，对其种子大小采用40。

2.4 静力学分析结果

经过ABAQUS的静力分析，滑轨板的应力云图、应变云图、位移云图分别如图2、3和4所示。

图2 滑轨板的应力云图

图3 滑轨板的应变云图

图4 滑轨板的位移云图

由应力云图可知，滑轨板承受的最大应力为50.75 MPa。由应变云图可知，滑轨板的最大应变在铰接部分，其值为2.487×10-4。由位移云图可知，其最大位移量是在液压缸铰接处，为0.1327mm。

2.5 改进方案

由静力学分析结果可知，液压缸铰接处为滑轨板承受的最大应力、最大应变和最大位移量的部位，为提高滑轨板的安全性及可靠度，对滑轨板进行以下改进：

（1）在两个液压缸铰接处各增加一块上筋板和一块下筋板，其外形如图 5的（a）和（b）所示，焊接位置如图（c）所示。

（2）在两个液压缸铰接处对应的滑轨板的背面各焊接一个加强架，加强架形状如图（d）所示，焊接方案如图（e）所示。

图5 筋板形状

3 结语

（1）通过对滑轨板的有限元分析，滑轨板承受的最大应力为50.75MPa远小于材料自身的许用应力，所以设计的滑轨板的强度在安全范围内。

（2）滑轨板的最大应变在铰接部分，其值为，滑轨板的变形量在允许范围之内。

（3）滑轨板的最大位移量是在液压缸铰接处，为0.1327 mm，显然在允许范围内，验证了该结构整体的安全可靠性。

（4）液压缸铰接处为滑轨板承受的最大应力、最大应变和最大位移量的部位，为提高滑轨板的安全性及可靠度，在在两个液压缸铰接处各增加一块上筋板和一块下筋板，在两个液压缸铰接处对应的滑轨板的背面各焊接一个加强架。