矿井辅助运输设备连接插销强度试验分析

知识点：插销试验

1 连接插销强度试验应力分析

连接插销通过销孔与拉杆（或链环）将运输车辆连接起来，连接插销的受力分析和应力分布如图1 所示。连接插销两部分沿剪切面发生相对错动的趋势；以力F 的横截面为分界面，剪力Q 的作用线与剪切面m—m平行。

图 1 连接插销受力分析和应力分布

设连接插销在整个水平面上的受力F 均匀分布，由ΣFx=0 可知，连接插销受力F 与 m—m 面上的剪力Q大小相等。

名义剪应力τ 为

式中: AQ 为剪切面m—m 的面积。

名义截切应力不得超过材料的许用剪切应力为

式中：τjx 为极限剪应力，[τ] 为许用剪切应力，n 为安全系数。

许用应力和材料的屈服应力之间的关系为

式中：σs 为材料的屈服应力；[σ] 为许用应力；n 为安全系数，一般取n=1.2~1.5。

许用应力与许用剪切应力关系为

材料40Cr 的屈服应力σs=785 MPa[12]。依据式（2）、式（3），分别选取最低、最高安全系数1.2、1.5；最小、最大比例系数0.6、0.8，

可得材料40Cr 的许用剪应力为

选择常用的φ 50 mm 连接插销，依据式（1）可得连接插销可承受的理论最小力Fmin 和理论最大力Fmax为

2 试验概况

2.1 连接插销材料

试验连接插销符合MT244.2—2005《煤矿窄轨车辆连接件 连接插销》标准规定的要求，材料选用机械性能好的40Cr 中碳合金钢锻造成形。连接插销的常温冲击功不低于48 J，进行调质处理。调质并高频表面淬火后硬度为HB 230-260，淬火温度850℃，冷却剂油，回火加热温度520℃，水冷。表面不允许有裂纹、毛刺等缺陷。连接插销的化学元素含量如表1 所示。

2.2 试验仪器

连接插销强度试验中用到的设备有：拉力机、数显游标卡尺、钢卷尺、温度计，其中拉力机型号为AS300，测量范围为0 ～ 3 000 kN，误差为±1%；游标卡尺型号为150 mm 游标卡尺，测量范围为0 ～ 150mm，误差为±0.03 mm；钢卷尺型号为L19-50，测量范围为0 ～ 5 m，准确度为Ⅱ级；温度计型号为ZC1-2，测量范围为-40℃～ 50℃，误差为±2℃。

2.3 测试方法

1） 按MT244.2—2005《煤矿窄轨车辆连接件 连接插销》要求，将连接插销放入图2 所示的夹具上，强度试验加载在无冲击的状态下进行，设定破断强度力量极限保护值为1 610 kN。

图 2 连接插销强度试验

2） 连接插销的受力位置在矿用辅助设备连接装置U 形卡槽上下端向内60 mm 处，启动拉力机作动缸连续加载至10 kN 的预紧力, 保证连接插销在夹具中位置固定。

3） 在无冲击的状态下，试验机连续加载至10 kN时，在标尺上读出初始数据；然后加载到350 kN 负荷,读出标尺上的数据，算出连接插销的变形量。

4） 第一根连接插销以10 N/mm2·s 的加载速率进行强度试验，直到达到系统预先设定的保护值1 610 kN 为止, 观察连接插销是否断裂。

5） 第二根连接插销以1.5 mm/min 的加载速率进行强度试验，直到达到系统预先设定的保护值1 610 kN为止, 观察连接插销是否断裂。

6） 利用数据采集系统对拉力机传感器的输出信号进行实时采集，在计算机中自动进行记录，保存，处理。

3 实验结果与分析

在室温（25℃）的条件下，对φ 50 mm 连接插销进行强度试验，图3 为试验样品，从试验后的状态可以看出，连接插销在1 610 kN 强度试验后发生了明显的弯曲变形。

图 3 连接插销试验样品

从表2 为连接插销变形量，可以看出，连接插销从初始负荷11.0 kN，按照10 N/mm2·s、1.5 mm/min 加载速率两种试验条件连续加载至350.0 kN 的试验负荷，其永久弯曲变形量分别为4 mm 和3 mm；负荷达到设定的1 610 kN 时，最终变形量分别为14.5 mm 和13.5mm。不同的加载试验速率对φ 50 mm 连接插销强度没有明显影响。

图4、图5 是两种不同加载速率下破断强度随时间变化规律，可以看出，达到设定的1 610 kN 的负荷，两种加载速率下φ 50 mm 40Cr 的连接插销都没有发生断裂。破断强度随时间的应变规律基本一致，10 N/mm2·s加载速率下达到力量保护值所用的加载时间为540 s ；1.5 mm/min 加载速率下加载时间为450 s。在化学成分和调质工艺相同的条件下，影响连接插销强度的主要因素是连接插销的直径。

材料为40Cr 的φ 50 mm 连接插销理论最大截切强度为2 053 kN, 考虑1.25 倍的许用安全系数（1 642），1 610 kN 的试验值可以作为矿井辅助运输设备连接插销的选型依据。

图 4 10 N/mm2·s 加载速率下破断强度随时间变化规律

图 5 1.5 mm/min 加载速率下破断强度随时间变化规律

4 结论

1）加载试验验证，加载速率对连接插销强度以及破断强度随时间的应变规律没有明显影响。

2）在化学成分和调质工艺相同的条件下，影响连接插销剪切强度的主要因素是连接插销的直径。

3）通过力和位移两种加载速率对连接插销进行强度试验，材料为40Cr 的φ 50 mm 连接插销满足1 600kN 矿井辅助运输设备连接插销的选型要求。

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