基于ANSYS Workbench 的液壓支架推移桿有限元分析?

田虎楠，王作棠，辛 林，黃溫鋼，張 朋，王建華

（1．中國礦業大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116；2．中國礦業大學 礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；3．新疆大學 機械工程學院，新疆 烏魯木齊 830008；4．徐州中澳能源科技有限公司，江蘇 徐州 221008）

0 引言

液壓支架是煤礦重要的綜采機械設備之一，其主要作用是推移刮板機、采煤機和支護頂板等。液壓支架推移機構是液壓支架的關鍵組成部分，包括長推移機構和短推移機構兩種形式。組合式推移機構屬于長推移機構，主要由推移千斤頂、組合式推移桿、連接頭和銷軸組成，其作用是推溜、移架和拉后溜［1］。

1 推移桿的三維實體建模

液壓支架推桿大部分是由鋼板組焊而成的箱型結構件［2，3］，結構不算太復雜。為提高數值模擬的精度和減少計算機的迭代次數，在進行有限元三維實體建模前有必要對推桿進行合理的簡化：忽略對推移桿強度分析影響不大的筋板、導向板、導向軸、焊縫坡口等。在此原則下利用SolidWorks建立了組合式推移桿三維實體模型，如圖1所示。

圖1 組合式推移桿三維實體模型

2 材料選取和網格劃分

液壓支架推桿在井底的實際受力十分復雜，為了保證有足夠的強度、剛度和塑性，推桿的材料選用Q460，屈服強度σs＝460MPa，彈性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0．28，密度ρ＝7 850kg／m3。

不考慮焊縫對推移桿有限元分析的影響，將推移桿作為一個實體進行整體的網格自由劃分，網格類型選用具有蠕變、膨脹、塑性、大變形、應力強大和大應變能力的Solid45單元，網格尺寸為32．5，網格數為37 889個。推移桿網格劃分如圖2所示。

圖2 推移桿網格劃分

3 推移桿的受力分析

將在SolidWorks［4，5］中建立的三維實體模型導入到專業的有限元分析軟件 ANSYS Workbench［6］中，根據液壓支架推桿的實際使用工況和受力特點，采用不同的約束和載荷對其強度進行有限元分析。本文主要對液壓支架井下常見的3種工況進行有限元分析［7－9］。

3．1 工況一（組合式推移桿推移輸送機）

由推移千斤頂的技術特征可知，在泵站壓力為31．5MPa時，千斤頂的最大推溜力為361kN，在組合式推移桿推移輸送機即推溜工況下，組合式推移桿受壓，推移桿右端為固定約束。此工況下的有限元分析結果如圖3和圖4所示。

3．2 工況二（組合式推移桿拉液壓支架）

在泵站壓力為31．5MPa時，千斤頂的最大拉架力為633．5kN，在組合式推移桿拉液壓支架工況下組合式推移桿受拉，推移桿左端為固定約束。此工況下的有限元分析結果如圖5和圖6所示。

圖3 工況一下推移桿應力分析云圖

圖4 工況一下推移桿總變形分析云圖

圖5 工況二下推移桿應力分析云圖

圖6 工況二下推移桿總變形分析云圖

3．3 工況三

組合式推移桿推移輸送機的同時受輸送機下滑力的作用。此工況下液壓支架推移桿的受力比較復雜，推移桿在推溜力作用下同時承受拉溜力作用，推移桿右端為固定約束。此工況下的有限元分析結果如圖7和圖8所示。

圖7 工況三下推移桿應力分析云圖

4 結論

（1）由工況一的應力云圖和位移云圖可得：組合式推移桿的最大應力出現在后推桿的耳座與推移千斤頂的連接處，最大應力σmax＝126．2MPa，最大變形量在前推移桿的前部，為1．39mm。

圖8 工況三下推移桿總變形分析云圖

（2）由工況二的應力云圖和位移云圖可得：組合式推移桿的最大應力出現在前推桿兩主筋板的后部，最大應力σmax＝1 029．5MPa；最大變形量出現在前推移桿的前部，為7．6mm。應力和變形較大的主要原因是在前推桿主筋板的尾部產生了應力集中，可以通過適當增加過渡圓角半徑來消除應力集中。

（3）由工況三的應力云圖和位移云圖可以看到：組合式推移桿的最大應力出現在后推桿的耳座與推移千斤頂的連接處，最大應力σmax＝225MPa；最大變形在前推移桿的前部，為3．78mm。

（4）由3種工況下的應力分析云圖可得：后推桿部分除與推移千斤頂連接的耳座外，其余的應力都小于400MPa，可以考慮選用Q420鋼板或適當降低板厚，以降低成本。

［1］ 王國法．液壓支架技術［M］．北京：煤炭工業出版社，1999．

［2］ 魯忠良，景國勛，肖亞寧．液壓支架設計使用安全辨析［M］．北京：煤炭工業出版社，2006．

［3］ 丁紹南．采煤工作面液壓支架設計［M］．北京：世界圖書出版公司，1992．

［4］ 詹友剛．SolidWorks2012寶典［M］．北京：機械工業出版社，2012．

［5］ CAD／CAM／CAE技術聯盟．SolidWorks2012中文版從入門到精通（附光盤）［M］．北京：清華大學出版社，2012．

［6］ 凌桂龍，丁金濱，溫正．ANSYS Workbench 13．0從入門到精通（配光盤）［M］．北京：清華大學出版社，2012．

［7］ 孫紅發，于德潤．ZY10800／28／63型液壓支架推移桿可靠性分析與研究［J］．煤礦機械，2008，29（6）：45－47．

［8］ 何文斌，李宏．基于ANSYS的液壓支架強度有限元分析［J］．煤礦機械，2006，27（10）：91－93．

［9］ 費建軍，吳勁松．危險工況下液壓支架推移桿的研究與分析［J］．煤礦機械，2010，31（9）：43－44．