6.2 m 液壓支架雙耳連接頭的有限元數值仿真

韋振龍

（晉城金晟機電有限責任公司， 山西 晉城 048000）

引言

液壓支架與采煤機、刮板機相組合構成綜采工作面成套設備。采煤機采煤時，騎在刮板機上工作。刮板機除了與采煤機配合，還將采煤機割下的煤運輸到轉載機。液壓支架[1]作為綜采工作面的主要設備，起到工作面頂板支護、維護與行人安全、刮板機向前推移等作用，影響整個綜采工作面的采煤狀況。雙耳連接頭將刮板機和液壓支架連接在一起，在工作面推移中與推桿一起拉架和推溜，因為工作面工作環境差，除受到壓、拉、扭彎等正常應力外，會存在多種不可預測的因數，導致連接件的受力情況變得更惡化，并在使用過程中，雙耳連接頭易出現連斷裂現象，其斷裂位置主要發生在兩側耳根處，影響采煤效率。以ZY12000/28/62D 型掩護式液壓支架連接件為例，利用有限元分析軟件對該支架的雙耳鏈連接頭進行分析計算。

1 理論基礎

刮板輸送機的推溜和液壓支架的移架兩個動作是通過液壓支架底座推移油缸來完成的。推溜時，將立柱升到合適位置，然后以液壓支架為推移點，最后將刮板機推向煤壁[2-3]；移架時，先將立柱降到合適位置，然后以刮板機為移架點，最后將液壓支架拉向煤壁。雙耳連接頭作為實現推溜和移架兩動作的重要零部件，在泵站壓力恒定的情況下，對同一推移油缸，其拉力比推力大。由于液壓支架移架用的阻力較大，本身重量較重，用小的拉力去拉大阻力，而推溜的推力較小，用大推力去推小阻力，非常不匹配。因此，拉力必須大于推力。針對這一條件，通常利用浮動活塞法、差動供液法、倒置千斤頂法及高低壓供液法等[4]。依據ZY12000/28/62D 支架為例，活塞桿直徑為d=140 mm，推移千斤頂缸徑為D=200 mm，泵站壓力為P=31.5 MPa，采用倒置千斤頂法。連接形式通過支架底座與油缸缸體外徑底部橫向連接的鉸接軸實現，活塞桿與推桿的一端相接；刮板機與剛性推桿的另一端利用雙耳連接頭連接。在壓力的作用下，油液進入活塞桿腔內，實現推溜功能。

2 有限元理論

2.1 三維模型的建立

利用Pro/E 三維軟件，按照雙耳連接頭的實際參數建立其三維模型，如圖1 所示。

2.2 有限元模型的建立

利用ANSYS 有限元軟件對連接件進行分析，將雙耳連接頭三維模型導入ANSYS 軟件中，通過對三維模型進行簡化，獲得有限元模型，如圖2 所示。

圖1 雙耳連接頭的三維模型

圖2 有限元模型

2.3 網格劃分

利用Hex-Dominant 和Body Sizing 形式對雙耳連接件進行劃分網格，由于雙耳連接件自身尺寸不大，因此要將密度劃分的較細些，該處以10 mm 為大小劃分的網格，圖3 為網格劃分模型。

圖3 網格劃分模型

2.4 邊界條件和載荷的設置

在ANSYS 分析軟件中，設置的約束為Cylindrical Support 圓柱面約束，載荷為Bearing Load軸承載荷。

雙耳連接頭的危險面和斷裂經常發生在三個銷軸孔及雙耳兩側的耳根處，因此分析的重點為3 個銷軸孔及雙耳兩側耳根處的應力情況。設置邊界條件時，將與刮板機連接孔處的支反力等效為施加在與推桿連接孔周圍平面的力矩，將該孔設置為固定孔約束，并在推桿連接孔及雙耳孔處施加推力及拉力載荷。

3 數值仿真

雙耳連接頭在計算分析時，應同時分析拉力和推力兩種情況。

3.1 位移云圖

雙耳連接頭受拉力和推溜時的位移云圖分別如圖4、圖5 所示。

圖4 拉力位移云圖

圖5 推力位移云圖

由圖4，圖5 可知，雙耳連接頭受拉力時，雙耳處位移量較大；而推溜時，雙耳連接頭與支架推移桿的連接孔處位移量較大。

3.2 應力云圖

雙耳連接頭受拉力和推溜時的應力云圖分別如圖6、圖7 所示。

由圖6，圖7 可知，雙耳連接頭受拉力時，雙耳的銷軸孔和耳板的耳根處，并容易發生斷裂；而推溜時，雙耳連接頭兩側耳板的耳根處和支架推移桿的連接孔處的應力最大。

圖6 受拉力的應力云圖

圖7 受推力應力云圖

4 仿真結果分析

通過液壓支架連接頭有限元分析，能很明確地獲得液壓支架在拉架和推溜情況下，雙耳連接頭的危險截面的位移量及應力區分布情況，從而能較準確地判斷雙耳連接頭的斷裂位置。數值仿真結果與實際情況的吻合度較高，與材料的力學性能和液壓支架雙耳連接頭的理論分析情況也是一致的。

5 結論

通過雙耳連接頭實際工作的受力情況，對其施加軸承載荷，并做有限元數值仿真，結論如下：

1）支架在拉架和推溜工程中，雙耳連接頭的銷軸孔、兩耳板根處及與推桿連接的銷孔處的位移量和應力較大，并且容易發生斷裂現象。

2）通過有限元分析，提高了雙耳連接頭的強度，保證了液壓支架和刮板機連接的可靠性。