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

孫明明

摘要：連接頭作為液壓支架和輸送機之間的連接件，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軟件對連接頭進行建模，然后再利用ANSYS Workbench對其進行靜力分析，針對計算所得結(jié)果進行分析和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化。對優(yōu)化后的連接件再次進行靜力分析，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，但是薄煤層卻因為其作業(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薄煤層開采而設(shè)計的一款小型液壓支架。但是在一段時間的使用中發(fā)現(xiàn)，該液壓支架的連接頭斷裂非常頻繁。因此對ZY2600型液壓支架連接頭進行結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化是必要的。本文主要利用CATIA建模和ANSYS Workbench分析軟件對連接頭進行靜力結(jié)構(gòu)分析，然后針對分析結(jié)果進行優(yōu)化設(shè)計，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連接，整個工作過程包括升架、推溜、降架、移架。液壓支架先通過升架將頂梁升至最高，整個液壓支架被固定，輸送機開始采煤工作，即推溜的過程。當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上的連接頭拉動液壓支架完成移架，繼續(xù)下一位置的采煤工作。在這個工作的過程中，連接頭承受著巨大的載荷和磨損，時常出現(xiàn)斷裂的現(xiàn)象，嚴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)量對于后期的計算起著至關(guān)重要的作用，因此在進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)較為簡單規(guī)則，采用軟件默認的自動劃分法即可達到要求，為進一步提高精度，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的受力情況，對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)實中的實際情況進行統(tǒng)計發(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

根據(jù)上面的仿真結(jié)果分析并結(jié)合實際情況，連接頭的斷裂原因已經(jīng)找到，應(yīng)力集中導致的疲勞裂紋，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)，必須針對其薄弱的環(huán)節(jié)上進行改造設(shè)計。經(jīng)實際測量，刮板輸送機的掛耳厚度為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其抗拉強度。另外增加雙孔凹槽到單孔之間的鞋面長度，避免應(yīng)力集中在單孔和雙孔的連接處。進行優(yōu)化設(shè)計后連接頭的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

改進后再次利用ANSYS軟件對連接頭進行有限元分析，優(yōu)化后連接頭在受推力時的云圖如圖6所示。從圖6可以看出，改進后的連接頭受推力時，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ZY2600型液壓支架連接頭進行靜力分析并優(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改進后的連接頭受推力時，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：

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[2]郝玲，王德友，周俊，張少秋，賈維維，姜仁坤.基于ANSYS的液壓支架連接頭有限元分析[J].煤礦機械，2012，33（03）：86-88.

[3]呂加鵬.銑刨機升降支腿27SiMn合金鋼焊接工藝研究[D]. 2018.

[4]賓春雄，朱能熠，林勇傳.基于ANSYS Workbench的液壓支架聯(lián)接頭的優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機械，2020，41（05）：129-131.