ZY6400/21/45液壓支架推桿的強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

劉建英，趙 琪

(1.河南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，河南 鄭州 450007)

推桿是液壓支架推移機(jī)構(gòu)中非常重要的組成部分，其性能的好壞直接影響工作面的整體性能.推桿一旦損壞，就會(huì)造成推移機(jī)構(gòu)的故障，不但影響工作面的推進(jìn)速度, 而且直接影響工作面的出煤產(chǎn)量.因此，對液壓支架推桿進(jìn)行強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化是非常必要的.

圖1 簡化后的推桿裝配體Fig.1 The simplified push rod assembly

1 液壓支架推桿的模型簡化

液壓支架的推桿主要由前推桿、后推桿、十字頭和銷軸組成.在對其進(jìn)行有限元分析時(shí)，部分組件對推桿整體強(qiáng)度的影響不大，所以在分析過程中為了簡化分析模型，保證主要部件分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，只考慮推桿的主要組成部件.簡化后的推桿裝配體[1-2]如圖1所示.

2 液壓支架推桿的有限元分析

2.1 定義材料屬性

在完成ZY6400/21/45掩護(hù)式液壓支架推桿的模型簡化及裝配的基礎(chǔ)上，對推桿的各個(gè)零部件定義材料屬性.其中，前推桿和后推桿的材料為Q460，十字頭的材料為27SiMn，銷軸的材料為30CrMnTi，如表1所示.

表1 推桿的材料屬性Tab.1 The push rod material properties

2.2 劃分網(wǎng)格

圖2 液壓支架推桿的網(wǎng)格劃分Fig.2 The hydraulic support push rod grid partition

支架模型在SolidWorks Simulation中的的網(wǎng)格劃分如圖2所示.

2.3 定義載荷和約束

推移千斤頂拉移液壓支架即拉架，推桿受到拉架力，由推移千斤頂?shù)募夹g(shù)特征可知，千斤頂?shù)睦芰?33 kN.對前推桿左側(cè)的軸孔采用固定鉸鏈夾具，對其導(dǎo)向板兩側(cè)和上端面添加約束，兩個(gè)軸孔添加銷釘聯(lián)結(jié).該工況下施加約束和載荷后的推桿模型如圖3所示.對耳塊的外端面施加載荷，施加載荷的方向如圖4所示.

圖3 推桿的受力模型Fig.3 The push rod stress model

圖4 施加載荷的方向Fig.4 Direction of applied load

2.4 有限元分析

由于拉移支架過程中推移千斤頂?shù)睦芰Ρ容^大，前推桿和銷軸所受的載荷較大，容易發(fā)生屈服,故重點(diǎn)對前推桿和銷軸進(jìn)行有限元分析.由零件圖技術(shù)參數(shù)可知，推移千斤頂與推桿所成角度約為10°，經(jīng)計(jì)算得知推桿在水平方向上所受的力為155.8 kN.對模型進(jìn)行分析，分別生成推桿的應(yīng)力、位移、應(yīng)變、安全系數(shù)云圖，如圖5、圖6、圖7和圖8所示.

圖5 應(yīng)力云圖Fig.5 The stress nephogram

圖6 位移云圖Fig.6 The displacement nephogram

圖7 應(yīng)變云圖Fig.7 The strain nephogram

圖8 安全系數(shù)云圖Fig.8 Safety factor nephogram

3 推桿的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖9 槽部特征銷軸(單位：mm)Fig.9 Groove part feature pin(unit：mm)

由以上數(shù)據(jù)分析可知，前推桿和銷軸出現(xiàn)應(yīng)力集中，前連桿的最大應(yīng)力超過其屈服強(qiáng)度，同時(shí)發(fā)生較大的位移和應(yīng)變，安全系數(shù)也比較低.為保證液壓支架推桿的正常運(yùn)作，對銷軸進(jìn)行改進(jìn).為了減少應(yīng)力集中，在銷軸上切出一個(gè)槽部，以改變其應(yīng)力分布.銷軸上的槽部特征如圖9所示.

有限元分析的結(jié)果如圖10和圖11所示.銷軸的最大應(yīng)力為955 kN，前推桿的最大應(yīng)力為306 kN，均未超出其屈服強(qiáng)度.銷軸的安全系數(shù)為1.22，前推桿的安全系數(shù)為1.5，均大于1.2，且銷軸的安全系數(shù)低于前推桿，能夠?qū)ν茥U系統(tǒng)起到保護(hù)作用，符合安全銷軸的要求.

圖10 應(yīng)力云圖Fig.10 The stress nephogram

圖11 安全系數(shù)云圖Fig.11 Safety factor nephogram

4 結(jié)論

通過對推桿材料屬性進(jìn)行定義和網(wǎng)格劃分，添加載荷和約束后，對推桿進(jìn)行有限元分析，得出了各主要部件的應(yīng)力、位移、應(yīng)變及安全系數(shù)云圖.通過分析，在保證推桿主要部件安全的前提下，對安全銷軸進(jìn)行了優(yōu)化.

參考文獻(xiàn)：

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