商獻(xiàn)偉 史向陽 魏棟梁 趙世來 王洪雷 尹紀(jì)強(qiáng)

（三一重型裝備有限公司，遼寧省沈陽市，110027）

液壓支架拉后刮板輸送機(jī)連接頭有限元分析及優(yōu)化

商獻(xiàn)偉 史向陽 魏棟梁 趙世來 王洪雷 尹紀(jì)強(qiáng)

（三一重型裝備有限公司，遼寧省沈陽市，110027）

針對(duì)液壓支架拉后刮板輸送機(jī)連接頭在井下使用中易損壞的問題，研究了其使用工況和危險(xiǎn)截面的受力狀況，通過對(duì)其模型進(jìn)行有限元優(yōu)化，使得模型安全系數(shù)達(dá)到了安全生產(chǎn)的要求，應(yīng)力集中現(xiàn)象也得到了顯著改善。

液壓支架 連接頭 受力分析 有限元分析

液壓支架拉后刮板輸送機(jī)連接頭是液壓支架與后刮板連接的重要零件，其性能直接影響著工作面支架的整體性能。由于煤礦作業(yè)環(huán)境較差，可能出現(xiàn)諸多不可預(yù)見的因素使連接頭的受力狀況惡化。連接頭的故障和損壞不但影響工作面推進(jìn)速度，而且直接影響工作面出煤產(chǎn)量。本文以ZF5800/17/32液壓支架為例，通過對(duì)其拉后刮板輸送機(jī)連接頭進(jìn)行理論受力分析和有限元模擬及優(yōu)化，最終得到較優(yōu)的連接頭，保證液壓支架與拉后刮板輸送機(jī)的可靠連接。

1 連接頭受力計(jì)算

ZF5800/17/32液壓支架拉后刮板輸送機(jī)底座通過拉后刮板輸送機(jī)連接頭與液壓缸相連，拉后刮板輸送機(jī)連接頭與液壓缸通過銷軸相連，拉后刮板輸送機(jī)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

液壓支架拉后刮板輸送機(jī)連接頭的材料為30CrMnTi，抗拉強(qiáng)度為1470MPa，其采用整體鍛造機(jī)加工而成，受力主要來自于拉后刮板輸送機(jī)千斤頂?shù)睦Γ≒＝200kN）。分析認(rèn)為連接頭銷孔處和連接耳根部為危險(xiǎn)部位，易發(fā)生拉豁和斷裂，因此對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。

圖1 拉后刮板輸送機(jī)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 抗拉強(qiáng)度校核

對(duì)銷孔受到的拉力進(jìn)行抗拉強(qiáng)度校核。銷孔的抗拉面是圓柱面，用通過圓柱直徑的平面面積作為擠壓面來計(jì)算面積。

耳板抗拉強(qiáng)度σ拉為：

式中：P——拉后刮板輸送機(jī)千斤頂?shù)睦?，N；

ae——偏載系數(shù)，取ae＝1.2；

Be——耳板寬度，mm；

b——耳板厚度，mm；

d——銷軸直徑，mm。

安全系數(shù)n1為：

n1＝［σs］/σ拉＝0.85σb/σ拉＝1.48

式中：［σs］——材料許用屈服強(qiáng)度，MPa；

σb——材料抗拉強(qiáng)度，MPa。

1.2 剪切強(qiáng)度校核

對(duì)連接耳根部受到的水平剪切力進(jìn)行剪切強(qiáng)度校核。用連接耳截面面積作為擠壓面來計(jì)算面積。

擠壓面上的剪切力Q為：

Q＝200kN/2＝100kN

擠壓面積A為：

A＝b×d＝320mm2

擠壓應(yīng)力τ擠壓為：

τ擠壓＝Q/A＝312.5MPa

安全系數(shù)n2為：

n2＝［τ擠壓］/τ擠壓＝0.6σb/τ擠壓＝2.8

式中：［τ擠壓］——材料許用擠壓應(yīng)力，MPa。

支架在井下使用過程中，連接頭與拉后刮板輸送機(jī)千斤頂常常被埋在浮煤下，連接頭耳板在受到拉力時(shí)會(huì)產(chǎn)生偏載力和偏距（如圖2所示），此時(shí)計(jì)算得出由偏載力矩產(chǎn)生的力FP為：

FP＝P/10

耳板所受的合力F為：F＝P＋FP＝1.1P

對(duì)連拉頭耳板所受剪力Q1作用點(diǎn)取矩，則：

Q1L＝F（L－Δ）

Q1＝F（L－Δ）/L

式中：L——連接頭兩耳板最大寬度，mm；

Δ——耳板偏載產(chǎn)生的力臂，mm。

則剪切應(yīng)力τ剪切為：

τ剪切＝4Q1/A＝4×1.1P（L－Δ）/L/A＝835MPa

安全系數(shù)為n3：

n3＝［τ剪切］/τ剪切＝0.6σb/τ剪切＝1.06

式中：［τ剪切］——材料許用剪切應(yīng)力，MPa；

σb——材料抗拉強(qiáng)度，MPa。

根據(jù)MT/T556－1996液壓支架設(shè)計(jì)規(guī)范連接件的安全系數(shù)為2～3的要求，由上述計(jì)算可知銷孔的安全系數(shù)為1.48，不能滿足其安全要求；連接耳根部處在受到水平拉力時(shí)完全滿足強(qiáng)度要求，但是在受到偏載力時(shí)，已經(jīng)不能滿足強(qiáng)度要求，兩種工況差別較大，在支架使用過程中，應(yīng)盡量避免連接頭受扭載荷，為此進(jìn)行連接頭的有限元分析。

圖2 連接頭耳板受偏載力示意圖

2 有限元分析

根據(jù)連接頭受力分析結(jié)果，針對(duì)危險(xiǎn)截面運(yùn)用ANSYS分析軟件對(duì)其進(jìn)行有限元優(yōu)化分析。

2.1 有限元模型的建立

運(yùn)用Pro/E軟件進(jìn)行實(shí)體建模，將模型導(dǎo)入ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，選擇合適的網(wǎng)格大小，設(shè)置模型的材料屬性，進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的模型如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分模型

2.2 邊界條件及加載

根據(jù)井下使用現(xiàn)狀，連接頭的主要失效形式為耳孔拉豁及單耳板根部發(fā)生斷裂，因此，分析的重點(diǎn)為耳孔和單耳板根部的受力狀態(tài)。簡(jiǎn)化其余各處的受力狀況，得到具體的邊界條件為：將軸頭一端設(shè)定為固定約束，在銷孔受拉側(cè)施加水平拉力P＝200kN，其余各處不作約束，如圖4所示。

2.3 求解及結(jié)果分析

按上述邊界條件加載后，對(duì)連接頭的最大等效應(yīng)力進(jìn)行求解，其最大等效應(yīng)力云圖如圖5所示。

由圖5可知，其最大應(yīng)力在連接耳根部為445 MPa，而實(shí)際使用中恰好是該處斷裂，而且銷孔處產(chǎn)生了較大的應(yīng)力集中。

3 優(yōu)化分析

從計(jì)算結(jié)果可知銷孔的抗拉安全系數(shù)不能滿足安全要求，從有限元分析的結(jié)果可知連接頭銷孔處和連接耳根部處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，因而需對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化。保持軸頭部分不變，將耳板厚度加厚到25 mm，耳板寬度增大到100mm，將耳孔外圓加大，使材料得到最大化利用，將修改的模型重新進(jìn)行有限元分析，第一次優(yōu)化后應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 第一次優(yōu)化后應(yīng)力云圖

由圖6可知，加大銷孔外圓使此處的應(yīng)力集中大大得到改善，連接耳根部的應(yīng)力大大降低，銷孔的抗拉安全系數(shù)為3.98，耳板受到偏載力時(shí)安全系數(shù)為2.1，滿足安全要求，但連接耳根部應(yīng)力仍然存在應(yīng)力集中（420MPa），截面仍然危險(xiǎn)，需對(duì)此處進(jìn)一步優(yōu)化。將連接耳根部倒角R10進(jìn)行有限元分析，第二次優(yōu)化后應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 第二次優(yōu)化后應(yīng)力云圖

由圖7可知，連接耳根部倒角R10后，該處應(yīng)力進(jìn)一步降低（340MPa），整體應(yīng)力分布較為均勻，且滿足強(qiáng)度要求。

3 結(jié)論

利用有限元分析方法不斷優(yōu)化模型使應(yīng)力集中現(xiàn)象得到顯著改善，安全系數(shù)顯著提升，使用安全性明顯提高，在突變截面進(jìn)行合理的倒角有效地降低了應(yīng)力集中現(xiàn)象。實(shí)踐證明，理論計(jì)算加有限元優(yōu)化分析在液壓支架設(shè)計(jì)中是一種有效的方法，避免了因設(shè)計(jì)缺陷所造成的不必要的損失，提高了支架的可靠性。

［1］ 陳靜，郝少祥.基于ANSYS的液壓支架后連桿強(qiáng)度分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化［J］.中國(guó)煤炭，2009（10）

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［3］ 高有進(jìn).6.2m高可靠性大采高液壓支架的選型與設(shè)計(jì)［J］.中國(guó)煤炭，2007（2）

［4］ 李金花.液壓支架連接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探討［J］.煤礦機(jī)械，2005（7）

［5］ 湯國(guó)強(qiáng)，馬成林.ZZ9200/25/50液壓支架推移連接頭斷裂原因分析［J］.煤礦機(jī)械，2009（11）

［6］ 孟凡旺，謝方偉.液壓支架推移機(jī)構(gòu)的有限元分析［J］.煤礦機(jī)械，2008（7）

Finite element analysis and optimization of connector of pulling rearchute on hydraulic support

Shang Xianwei，Shi Xiangyang，Wei Dongliang，Zhao Shilai，Wang Honglei，Yin Jiqiang
（Shenyang Sany Heavy Equipment Company Ltd.，Shenyang，Liaoning 110027，China）

The connectors of pulling rearchute on hydraulic support were easily damaged in the mine.In view of this，the using conditions and the force loaded on dangerous sections were researched.Through the finite element optimization of model，the safety factor of model could meet the safety requirements，and the stress concentration had been significantly decreased.

hydraulic support，connector，mechanical analysis，finite element analysis

TD355.47

A

商獻(xiàn)偉（1986－），男，河南上蔡人，碩士，畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)材料加工專業(yè)，現(xiàn)在三一重型裝備有限公司支護(hù)研究院液壓支架I所從事煤礦支護(hù)設(shè)備開發(fā)工作。

（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）