液壓支架后連桿靜力分析與結構優化

李佩鴻，侯克邦

（1.鹽城工學院 機械工程學院，江蘇 鹽城 224001；2.安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

液壓支架是用來控制采煤工作面礦山壓力的機械裝置，不僅要維護作業安全，而且還要實現支撐、移架、拉架、側推輸送機等工序［1］。液壓支架后連桿是液壓支架的重要連接部件，其與前連桿、底座和掩護梁構成四桿機構，可提高液壓支架靈活性并擴大作業空間，而不同工況下，液壓支架后連桿可能會與掩護梁發生干涉，導致連桿結構因應力過大而損壞［2］。

本文以TZI760/22/35液壓支架后連桿為例，根據后連桿位置與受載［3］，對其進行結構靜力學分析，在此基礎上，以減小應力與變形為目標進行優化，為后連桿的改進設計提供理論依據。

1 后連桿的受力分析

TZI760/22/35液壓支架整體結構復雜，因此簡化各部件的三維結構為平面桿，將各載荷看作集中載荷對其進行平面受力分析。液壓支架整體受力如圖1所示。

圖1 液壓支架整體受力圖

以頂梁、掩護梁為分離體［4］，對O取為力矩，根據力矩建立平衡方程，得：

其中：F1、F2、F3分別為前連桿、后連桿、支柱千斤頂作用力；α、β、γ、δ分別為支柱千斤頂傾角、前連桿傾角、后連桿傾角和OO1與水平線的夾角；a、b、c、d分別為O到O1水平距離、O1到水平梁距離、載荷Q到O1水平距離、O到支柱千斤頂距離；Q為頂板承受的集中載荷；f為頂板與頂梁間的摩擦因數。

由式（1）可得：

當液壓支架高度升至3 500mm時，參考TZI760/22/35型液壓支架的技術參數，取頂板與頂梁間的摩擦因數f＝0.2，根據式（2）可得出后連桿受力情況，如表1所示。

表1 液壓支架受力情況

2 后連桿模型建立與靜力分析

2.1 后連桿模型的建立

為避免液壓支架后連桿完全實體而對底座壓力過大，其結構多由組合板和加強板組成，直接在ANSYS建模將增大工作量，因此利用Pro/E軟件建立后連桿的三維模型，對需要優化的結構尺寸進行參數化，并建立Pro/E與ANSYS的雙向連接，在不影響總體結構的前提下，去掉后連桿過小的倒角、圓角，忽略焊縫，去除安裝液壓管線等細節部分。取后連桿材料的彈性模量E＝2.08×105MPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7 850kg/m3，并默認網格劃分，設置網格關聯性為60，得到后連桿的三維模型與網格劃分模型，如圖2所示。

2.2 后連桿的靜力學分析

根據受力分析結果，對后連桿與掩護梁連接孔施加載荷，約束后連桿與底座連接孔，得到后連桿的變形云圖和應力云圖，如圖3所示。

圖3 后連桿變形云圖與應力云圖

由圖3可得，液壓支架后連桿的最大變形為0.60mm，發生在后連桿與掩護梁集中受力處；最大應力為327MPa，發生在后連桿與底座連接處和與掩護梁連接處。

3 后連桿的結構優化設計

ANSYS Workbench優化設計可進行多目標優化，具有雙向參數傳遞動能，主要是調整優化部件的材料、幾何體、載荷大小等作為優化設計的輸入參數，并通過定義優化方法及優化控制得到相應的質量、變形量、應力分布等輸出參數［5］。根據后連桿靜力學分析的變形云圖及應力云圖，結合實際工況，對后連桿進行優化：定義后連桿連接孔尺寸、左右連接桿寬度以及中間加強板厚度為輸入參數，定義最大變形與最大應力為輸出參數，另外，由于盲目地增大后連桿整體尺寸將增加底座的受力，使得整體結構龐大笨重，因此將后連桿質量也作為輸出參數。利用ANSYS Workbench添加變量設計點并更新響應，獲得輸入參數與輸出參數的敏感圖，如圖4所示。由圖4可知，后連桿的連接孔尺寸對變形與應力的敏感度較大，中間加強板的厚度對質量的敏感度較大。據此對后連桿進行結構優化，優化后后連桿的變形云圖與應力云圖如圖5所示，其最大變形為0.549mm，相對優化前減小10%；最大等效應力為283MPa，相對優化前減小14%。

圖4 結構敏感分析圖

圖5 優化后后連桿的變形云圖與應力云圖

4 結語

后連桿是液壓支架的重要組成部件之一，本文以TZI760/22/35液壓支架后連桿為研究對象，使用Pro/E軟件進行建模，并對優化尺寸進行參數定義，通過ANSYS Workbench靜力學分析得到后連桿變形與應力云圖，并以應力和變形最小作為優化目標，對后連桿結構進行優化。優化后后連桿的變形與應力較優化前減小，達到了結構優化的目的，對后連桿的優化設計具有一定的參考價值。

［1］李炳文，萬麗容，柴光遠.礦山機械［M］.徐州：中國礦業大學出版社，2010.

［2］馮玉香，許民龍.ZY500型液壓支架后連桿失效分析及改造［J］.煤礦機械，2001（7）：50－51.

［3］王國法.液壓支架技術［M］.北京：煤炭工業出版社，1999.

［4］周建方，高建和，唐國興.材料力學［M］.北京：機械工業出版社，2010.

［5］高耀東，宿福存，李震，等.ANSYS Workbench機械工程應用精華30例［M］.北京：電子工業出版社，2013.