基于ANSYS的液壓支架連接頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫明明

摘要：連接頭作為液壓支架和輸送機(jī)之間的連接件，在工作的過程中承受著巨大的載荷，因此更容易損壞。本文針對(duì)ZY2600型液壓支架連接頭頻頻出現(xiàn)斷裂而影響生產(chǎn)效率的問題提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。先利用CATIA軟件對(duì)連接頭進(jìn)行建模，然后再利用ANSYS Workbench對(duì)其進(jìn)行靜力分析，針對(duì)計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行分析和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。對(duì)優(yōu)化后的連接件再次進(jìn)行靜力分析，結(jié)果表明優(yōu)化后的最大應(yīng)力較之前有所減小，壓力分布較均勻，對(duì)于減少連接頭斷裂問題是可行的。

關(guān)鍵詞：液壓支架;連接頭;ANSYS Workbench;靜力分析

0? 引言

隨著煤炭資源的不斷開采，薄煤層煤礦資源所占比重逐漸增大，但是薄煤層卻因?yàn)槠渥鳂I(yè)空間狹窄的原因?qū)е虏沙隽枯^低[1]。而ZY2600型液壓支架就是針對(duì)薄煤層開采而設(shè)計(jì)的一款小型液壓支架。但是在一段時(shí)間的使用中發(fā)現(xiàn)，該液壓支架的連接頭斷裂非常頻繁。因此對(duì)ZY2600型液壓支架連接頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化是必要的。本文主要利用CATIA建模和ANSYS Workbench分析軟件對(duì)連接頭進(jìn)行靜力結(jié)構(gòu)分析，然后針對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而提高連接頭的可靠性。

1? ZY2600型液壓支架連接頭

液壓支架通過連接頭和輸送機(jī)連接，整個(gè)工作過程包括升架、推溜、降架、移架。液壓支架先通過升架將頂梁升至最高，整個(gè)液壓支架被固定，輸送機(jī)開始采煤工作，即推溜的過程。當(dāng)該位置的采煤工作完成后，液壓支架通過降架把頂梁降低，液壓支架固定解除，液壓支架底座的液壓缸通過連接在輸送機(jī)上的連接頭拉動(dòng)液壓支架完成移架，繼續(xù)下一位置的采煤工作。在這個(gè)工作的過程中，連接頭承受著巨大的載荷和磨損，時(shí)常出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，嚴(yán)重的影響了煤炭開采的效率，連接頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 連接頭三維模型

根據(jù)連接頭結(jié)構(gòu)，利用三維建模軟件CATIA建立連接頭的模型，如圖2所示。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量對(duì)于后期的計(jì)算起著至關(guān)重要的作用，因此在進(jìn)行有限元分析前根據(jù)模型結(jié)構(gòu)劃分出較高質(zhì)量的網(wǎng)格是很重要的。該幾何體結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單規(guī)則，采用軟件默認(rèn)的自動(dòng)劃分法即可達(dá)到要求，為進(jìn)一步提高精度，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm[2]，網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

根據(jù)實(shí)際情況，將連接頭的材料設(shè)置為27SiMn[3]，本文主要模擬在推溜過程中連接頭受推力載荷時(shí)的受力情況，對(duì)連接頭的雙孔均施加250KN的軸承載荷，單耳施加圓柱面約束[4]。

3? 有限元分析

圖4分別為連接頭在受到推力時(shí)的總變形云圖和等效應(yīng)力云圖，從圖4中可以看出連接頭的受力并不均勻，應(yīng)力主要集中在中間部分，且最大應(yīng)力出現(xiàn)在雙孔與單孔的連接處，左右兩側(cè)幾乎對(duì)稱出現(xiàn)，這是造成連接頭易斷裂的主要原因，從分析結(jié)果可以得到，最大應(yīng)力為279.4MPa，最大變形量為0.32mm，出現(xiàn)在雙孔外端。

根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，連接頭斷裂多是發(fā)生在雙孔到單孔的連接處，這和本文仿真所得的結(jié)果是一致的。

4? 連接頭的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)上面的仿真結(jié)果分析并結(jié)合實(shí)際情況，連接頭的斷裂原因已經(jīng)找到，應(yīng)力集中導(dǎo)致的疲勞裂紋，使得連接頭在承受推拉載荷的過程中更易斷裂，為減少連接頭斷裂情況的出現(xiàn)，必須針對(duì)其薄弱的環(huán)節(jié)上進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，刮板輸送機(jī)的掛耳厚度為70mm[4]，而連接掛耳的雙孔間距卻有110mm，將雙孔間距縮小為90mm，可以增加雙孔與單孔連接處的截面積從而增強(qiáng)其抗拉強(qiáng)度。另外增加雙孔凹槽到單孔之間的鞋面長(zhǎng)度，避免應(yīng)力集中在單孔和雙孔的連接處。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后連接頭的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

改進(jìn)后再次利用ANSYS軟件對(duì)連接頭進(jìn)行有限元分析，優(yōu)化后連接頭在受推力時(shí)的云圖如圖6所示。從圖6可以看出，改進(jìn)后的連接頭受推力時(shí)，應(yīng)力最大值為232.3MPa，壓力分布較之前更均勻，最大應(yīng)力位置由雙孔連接處轉(zhuǎn)移到了單孔內(nèi)側(cè)，且最大應(yīng)力比優(yōu)化前減少了6.9%，最大變形量也有所減少。

5? 結(jié)論

通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)ZY2600型液壓支架連接頭進(jìn)行靜力分析并優(yōu)化，得出以下結(jié)果：

①連接頭雙孔到單孔的連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中，斷裂位置多出現(xiàn)在此處;②改進(jìn)后的連接頭受推力時(shí)，最大應(yīng)力位置由雙孔連接處轉(zhuǎn)移至單孔內(nèi)側(cè)處，且最大應(yīng)力減少6.9%，提高了連接頭的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

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