1、工程背景

近水平长钻孔定向钻进技术是提高煤矿井下瓦斯抽采率、减少瓦斯灾害的一条重要途 径，其核心设备千米钻机中孔底马达的动力来源为泥浆泵，因此设计能够提供足够动力的泥浆泵是千米钻机研制的关键之一。泥浆泵中十字头部件是连接连杆与活塞的中间传力机构，简化模型如下图所示。包含有两个零件：十字头与衬套，二者之间存在 lmm的间隙。十字头在衬套内来回移动，衬套镶嵌于基座之中。工作时两个零件间的磨损量对泥浆泵整体性能影响较大，利用Ansys Workbench有限元分析软件可以对十字头部件整体进行静力学分析，通过定义十字头与衬套之间的接触，得到二者的接触摩擦压力，接触摩擦应力等参数，为泥浆泵十字头部件的设计与优化提供参考依据。

2、前处理

选择Static Structure模块，导入上图所示模型。点击材料库，将Structural Steel（结构钢）和Copper Alloy（铜合金）加入到项目中，并在Model界面中分别赋给十字头和衬套。

接触材料对为铜合金与结构钢的接触对，润滑油润滑，接触摩擦对的摩擦系数为0.15.接触面对为衬套的内圆面和十字头的外圆面，插入接触对的方法如下图所示，在Connection上右击，选择Insert - Manual Contact Region。

选择建立的接触对，将Contact设置为十字头的外圆面，将Target设置为衬套的内圆面，各种参数的设置如下图所示。

模型为对称分析，需要建立对称面组。如下图所示，在Model（A4）上右击，选择Insert - Symmetry Region插入对称特征，并选择模型的剖切面作为对称面，对称方向为Y轴。20

采用自动网格划分方式，将Relevance Center设为Medium。

在衬套外圆面施加径向（Y向）位移为0的约束，在端面上施加轴向（Z向）位移为0的约束，如下图所示。

载荷全部位于十字头部件上，如下图所示，在C处施加Force类型的力，大小11500N，沿-Z方向，作用于半圆内壁。在D处施加Bearing Load类型的力，沿Z向11500N，-X方向3000N，作用于圆孔内壁。

3、求解设置

分析中主要关心的是接触应力以及摩擦应力的大小，因此在Solution选项中选择总体变形、总体应力以及接触工具箱Contact Tool，求解接触状况、接触压力、摩擦应力、穿透量以及间隙参数。分析中接触为对称接触，因此可以显示两个接触面的接触结果，选用两个Contact Tool来显示，如下图所示。

带摩擦的接触分析属于非线性分析，对于求解的时间步长需要进行一定的设置以保证求解的收敛，参数的设置如下图所示。

4、求解

点击Solve进行求解计算，得到摩擦应力与接触压力的分布。