基于ANSYS中部槽推移耳結構優化設計

呂振華，袁進南，王和偉

(三一重型綜采成套裝備有限公司，遼寧沈陽110027)

刮板輸送機推移耳承受工作面液壓支架的拉架力、推溜力，在推中部槽、拉液壓支架的過程中，推移耳容易受力不均勻，進而出現耳板斷裂、耳板變形、耳板拉移孔處被拉潰等失效形式。(圖1所示為推移耳斷裂失效)。推移耳失效后導致刮板輸送機及液壓支架無法推移，綜采工作面不能推進。只有更換整節中部槽，才能繼續工作。為此，對刮板輸送機推移耳進行了應力分析和優化設計，改善該部位受力狀況與外形結構，計算結果表明，該結構合理，可用于生產實際。

圖1 推移耳斷裂失效

1 模型有限元分析

1.1 中部槽推移耳建模

用Pro/E建立的中部槽三維實體模型結構如圖2所示。由圖可知推移耳是傾斜一定度數的“腰形孔”結構，這種結構在支架推移刮板輸送機時，推移力位于中部槽質心位置，從而水平推移中部槽，防止中部槽向前推動時鏟入底板或上翹壓煤。

中部槽推移耳優化設計能有效提高刮板輸送機中部槽使用壽命及拉移耳強度，提高工作效率。參考文獻［1］將中部槽推移耳拉孔設計成為“L”形，有效改善了推移耳部位應力的分布，提高了在推移耳部位的材料使用效率。采用該結構后，最大應力峰值在受力區域比優化前降低了17.37%［1］。參考文獻 ［2］將中部槽推移耳與槽幫相連處開槽，改善了“∑”形復雜曲面處受力狀況，避免了應力集中;同時改善了擋板槽幫的鑄造工藝性，有助于鑄造槽幫推移耳處散熱，有效避免了在推移耳處產生的殘余應力。圖3為目前實際使用效果較好的推移耳結構。

圖2 中部槽三維實體模型

圖3 推移耳結構示意

1.2 中部槽推移耳模型前處理

本文對槽寬800系列刮板輸送機中部槽擋板槽幫對推移耳受力進行應力分析。利用三維建模軟件Pro/E建模，采用ANSYS進行應力分析，將模型進行導入。刮板輸送機最大拉架力為800kN，最大推溜力為540kN。槽幫采用鑄鋼材料，不考慮鑄造缺陷，材料密度7850kg/m2，彈性模量210GPa，泊松比取0.3，抗拉強度σb=680MPa，屈服強度σs=480MPa，安全系數取1.5，許用應力 ［σ］ = 453MPa。

推移耳承力面進行網格單獨劃分，其他整體進行自由網格劃分。中部槽在推移過程中，主要承受液壓支架的拉架力與推溜力，中部槽重量和擋板槽幫兩端的凸凹端頭為阻礙中部槽移動的約束，限制推移耳的移動與轉動。推移耳在拉架時承受的最大拉架力，是推移耳容易出現破壞的工況，本文以此工況進行加載。中部槽兩端的凸凹面為約束面，在ANSYS中設置為剛性約束，限制中部槽的上下移動與左右轉動自由度，與槽幫相連的部件分別為中板、底板約束其在前后方向的移動，施加余弦力為推移耳承受的拉壓力，所有載荷與約束施加完成后模型如圖4所示。

圖4 模型載荷約束

1.3 中部槽推移耳應力分析結果

當模型在ANSYS中前處理完成后，對中部槽擋板槽幫危險工況下進行求解，分析結果如圖5和圖6所示。從應力云圖和位移圖可以看出最大應力值位置出現在受拉部位，與實際中部槽受力最大的位置吻合，該結構受力后的危險區域同樣與實際相符，證明了分析計算的正確性。

圖5 優化前槽幫節點應力

圖6 優化前槽幫節點位移

危險工況下的模型最大變形值為 0.099113 mm，因為中部槽對剛度的要求不高，該變形在其允許范圍內，材料剛度滿足使用要求。危險工況下最大應力為212.471MPa，計算安全系數為:ns= (480/212.471)=2.26，根據使用材料的屈服極限480MPa及安全系數1.5，滿足使用要求。由于中部槽在實際工作過程中，推移耳受拉架力產生的沖擊，出現受力不均，造成中部槽推移耳損壞，故可靠性還需進一步提高。

2 推移耳模型結構的優化

2.1 改進設計模型

由前述計算可知中部槽推移耳是整個結構的薄弱環節，有必要對其受力分布進行優化。首先，推移耳與槽幫的聯接設計成壁厚無急劇變化的結構形式，要求圓滑過渡并設計合理，改善其鑄造工藝性，避免產生殘余應力。其次，對推移耳結構形狀進行改進，將其形狀設計為“Z”形，優化了推移中部槽時的受力，推移腰形孔設計錐度1∶50(圖7)，聯接銷采用錐銷，產生一定的軸向力，改善中部槽傾斜推移和傾斜拉架時的受力狀態和推移孔處的受力狀況。

2.2 優化后模型分析結果對比

優化設計后模型，采用如前相同方式加載約束、載荷，分析結果如圖8和圖9所示。改進前后相同工況下最大位移和應力列表如表1所示。優化后的結構最大應力值為174.492MPa，應力最大值降低了17.9%，應力均勻化，形狀優化后，節約了材料用量，提高擋板槽幫強度。

圖7 推移耳截面

表1 推移耳計算對比

圖8 優化后槽幫節點應力

圖9 優化后槽幫節點位移

3 結束語

以SGZ800/800型刮板輸送機中部槽鑄造擋板槽幫為例，對其進行靜應力分析，設計出“Z”形錐面推移耳結構，計算結果表明，優化后的推移耳結構合理，應力分布均勻且數值較低，提高了槽幫強度，達到了預期效果。

［1］穆潤青，賈海朋，等.刮板輸送機輸煤槽拉移耳形狀優化［J］.煤礦機械，2009，30(1):5－7.

［2］趙江華，鞠 鵬，陳令國.基于ANSYS Workbench中部槽擋板槽幫優化設計［J］.科學技術與工程，2011，11(18): 4332－4334.

［3］郄彥輝，王秀紅，劉 波，等.基于ANSYS WORKBENCH的中部槽優化研究［J］.河北工業大學學報，2010，39(5).