连接件加载试验装置结构设计和有限元分析

李 青 崔卫则 崔卫国 王江勇 邱红亮 陈 霞 刘慧芬 郑娜娜

连接件加载试验装置结构设计和有限元分析

李 青 崔卫则 崔卫国 王江勇 邱红亮 陈 霞 刘慧芬 郑娜娜

（山西航天清华装备有限责任公司，长治 046012）

某连接件是筒体部件的重要组成部分，通过对连接件受力和使用工作状态进行分析和研究，设计出合理的专用试验装置。利用三维建模软件对加载装置实体建模，并对加载装置关键零组件进行有限元分析，实现加载装置的优化设计。分析结果表明，连接件加载状态符合实际使用状态，油缸加载载荷模拟实际载荷，连接件的强度得到了保证，为筒体部件在铁路运输提供了安全保障。

连接件；加载试验；有限元分析

1 引言

大型筒体部件在铁路平车上运输时，若筒体部件和铁路运输车不进行连接，由于上坡、下坡、陡路等复杂路况，筒体部件会发生一定的轴向滑动与径向滚动，这无疑影响发射筒的质量，存在着很大的安全隐患。连接件作为筒体部件支架上的一个部件，用于运输时对筒体部件和铁路运输车进行连接，对防止筒体部件发生轴向滑动与径向滚动起到了一定的作用。因此连接件的强度需要达到一定的安全值，否则会造成严重的后果。

2 部件组成结构分析

图1 连接件三维模型图

连接件三维模型图如图1所示，其结构包括连接叉和侧向拉环，侧向拉环上涂乐泰粘接胶后装配在连接叉上。铁路运输时，先将支撑架按要求放置在铁路平板上，再将筒体部件吊装在支撑架上，用压板、挡块及扒钉对支撑架进行拴固限位。待筒体部件就位后，一端在连接叉的销孔处用止动销与筒体部件吊耳连接并锁紧，一端将紧固链两端分别与连接件上的侧向拉环和铁路栓固点连接，用张紧器将多余的链环甩开，旋转张紧器的棘轮把手，将紧固链拉紧，紧固链与铁路车接触处用毛毡进行防护，避免损坏链环。

图2所示为连接件的工作状态图，可以看出在使用时连接件的侧向拉环处于一定的空间角度，侧向拉环一侧与竖直方向角度为22°，另一侧与竖直方向角度为21°。连接件的受力为一空间力，其强度直接关系到筒体部件能否安全运输。连接件加工数量多，加工工序多，受力复杂，其强度直接影响到产品的质量，因此有必要对连接件加载试验方法进行研究。

图2 连接件工作状态图

图3所示为连接件上连接叉的三维模型图，利用连接叉中间一平面与筒体部件上吊耳一平面进行接触，由于为面接触，此方法有效控制了筒体部件在铁路运输车上的轴向滑动与径向滚动。

图3 连接叉三维模型图

3 加载试验装置结构组成

根据连接件的实际工作状态（图2），设计出连接件加载试验装置，如图4所示，该装置主要由标准梁1、标准梁2、连接座、销轴、卸扣、连接板1、连接板2、支腿油缸、支座等组成。连接座与标准梁之间用螺栓连接，连接件与连接座通过销轴连接，连接件、卸扣、支腿油缸之间通过连接板1、连接板2用销轴连接，支腿油缸与支座之间用销轴连接，支座与标准梁通过螺栓连接。

该试验装置中标准梁呈对称布置，受力比较均匀，主要受拉应力。连接件与标准梁连接时螺栓处于竖直状态，油缸的布置为竖直状态，在油缸打压时，油缸对连接件有一垂直向下的力，此时螺栓主要受拉应力，弯矩力可忽略不计。支腿油缸处于竖直状态，油缸工作状态相对比较稳定，另外工厂现已有标准梁和支腿油缸以及空间较大的试验工房，可以满足加载试验的需要。

图4 加载试验装置结构图

4 关键零部件设计

4.1 连接座设计

连接座用于连接标准梁和产品连接件，是主要的受力部件。由于试验要求连接件加载方向要保证如图2所示的工艺尺寸角度，总方案中油缸打压方向为竖直方向，而工艺尺寸需保证连接件处于22°，因此在设计连接座时需要一种方法将连接件加载时旋转一个角度22°，使其处于竖直状态。

图5为连接座三维模型图，连接座由底座和支耳组成，从图中可以看出有两个销孔，其中销孔1的销轴用于连接座与连接件相连接，销孔2的销轴用于支撑连接件销孔处的斜面，防止连接件在加载受力时转动。如图6所示为连接座和连接件装配图，装配后连接件与连接座的接触面与竖直方向呈22°，侧向拉环为竖直状态。连接座结构为焊接件，结构相对简单，焊后加工比较容易[1]。

图5 连接座三维模型图

图6 连接座和连接件装配图

4.2 销轴设计

销轴的结构形式设计如图7所示，材料选用45钢，并进行调质和氧化处理[2，3]。在加载时销轴是主要的受力件，热处理要求为HRC30～35，对应的抗拉强度为1039MPa。

图7 销轴

4.3 支座设计

支座的结构形式设计如图8所示，由底座和连接耳组成，材料均选用Q345A，底座用于和标准梁连接，连接耳销孔处用销轴与支腿油缸支耳连接。

图8 支座三维模型图

5 关键零部件的有限元分析

5.1 连接座强度校核

对连接座进行有限元仿真计算，仿真软件为Ansysworkbench13.0，以连接座为研究对象，以连接座销孔O为受力点，其受力简图如图9所示。

图9 连接座受力简图

由力矩平衡×1=×2，==4000×10N=40000N，可以得出=58095N。

图10 连接座应力云图

将施加于连接座销孔处，其有限元应力分析结果如图10所示，可以看出连接座最大应力为68.3MPa，小于材料的许用应力，符合要求。为防止连接座变形过大，导致连接件滑脱，分析了连接座的变形，如图11所示，可以看出连接座最大变形量为0.097mm，符合要求。

图11 连接座变形图

5.2 销轴强度校核

图12 销轴受力图

销轴在连接件加载试验中起连接销孔的作用，其连接方式如图12所示。可以看出销轴主要受剪切力，其剪切力为：

经计算，销轴强度符合要求。

5.3 支座强度校核

对支座进行有限元仿真计算，仿真软件为Ansysworkbench13.0[4]，以支座为研究对象，以支座销孔O为受力点，其受力为=40000N。

图13 支座应力云图

将施加于支座销孔处，其有限元应力分析结果如图13所示，可以看出支座最大应力为73MPa，小于材料的许用应力，符合要求。为防止支座变形过大，导致连接件滑脱，分析了支座的变形，如图14所示，可以看出支座最大变形量为0.032mm，符合要求。

图14 支座变形图

6 结束语

本文根据连接件受力和使用工作状态设计了连接件加载实验装置，并用有限元分析软件Workbench对试验装置关键零部件进行了强度校核。该试验装置中连接件加载状态符合实际使用工作状态，油缸加载载荷模拟实际载荷，连接件的强度得到了保证，为筒体部件在铁路运输中提供了安全保障，同时该试验装置为相似结构件的加载试验提供了设计思路。

1 付永忠. Solid Edge零件设计教程[M]. 北京：北京希望出版社，2002

2 成大先. 机械设计手册[M]. 出版地：化学工业出版社，2002

3 孙志礼. 机械设计[M]. 东北大学出版社，2011

4 龚曙光. Ansys工程应用实例解析[M]. 出版地：机械工业出版社，2003

Structural Design and Finite Element Analysis of Connector Loading Test Device

Li Qing Cui Weize Cui Weiguo Wang Jiangyong Qiu Hongliang Chen Xia Liu Huifen Zheng Nana

(Shanxi Aerospace Eguipment Co., Ltd., Changzhi 046012)

The connector is an important part of the cylinder parts. Through the analysis and reseach of the force and working condition of the connector, a reasonable special test device is designed. The 3D modeling software is used to model the loading device solid, and the key parts of the loading device are analyzed by finite element to realize the optimal design of the loading device. The results show that the loading state of the connector is consistent with the actual use state, the cylinder load simulates the actual load and the strength of the connector is guaranteed, which provides the safety guarantee for the transportation of the cyclinder parts in the railway.

connector；loading test；finite element analysis

李青（1987），工程师，机械设计及理论专业；研究方向：工艺装备及非标设备的设计与研究。

2019-06-05