索節體有限元分析及優化

葛巖，孫余，倪坤，劉松

（1.江蘇徐工工程機械研究院有限公司；2.徐州徐工基礎工程機械有限公司，江蘇 徐州 221004）

液壓管排是由多根液壓管并排組成的動力傳輸組件，其應用于全液壓工程機械中，用于傳輸液壓能，由于其長度較長，需要將其分段連接，并纏繞于絞盤內部，因此，也稱其為絞盤液壓管排，本文中提及的液壓管排應用于雙輪銑槽機（后簡稱雙輪銑）。

液壓管排用于傳輸雙輪銑主機液壓能到工作裝置刀架，因其管路較長，需要兩側鋼絲繩進行防護，稱其為防護組件，其防護組件為由鋼絲繩、防護塊，連接索節組成的裝置，由于其結構緊湊，結構特殊，本文將防護組件中的連接索節作為研究對象，對其進行受力仿真分析，并優化其結構，對優化后結構進行受力分析。

1 連接索節的結構及受力情況

連接索節芯部用于容納兩只索筒，索筒通過壓制方式與鋼絲繩固定在一起，因此，承載的拉力作用于連接索節上，連接索節的端口開洞用于通過鋼絲繩。索筒臺階作用于索節臺階之上。鋼絲繩受拉力作用下，索筒臺階對索節臺階有產生一定的拉力，該拉力的大小受到軟管管排自身重力大小的影響，通常為固定的拉力，本文中的雙輪銑軟管管排自身重力為8.8噸，因此鋼絲繩索筒作用于索節臺階上的力同樣為8.8噸。整體應用圖如圖1。

圖1 整體應用圖

2 優化前的產品結構及有限元分析

連接索節質量為5.5kg，體積為0.0007m3，密度為7700kg/m3，重量為55.6N。連接索節采用合金鋼，屈服強度為620N/m2。

在Pro/E中繪制索節體三維模型，并導入ANSYS中進行網格劃分，利用上述拉力載荷加載計算，索節體應力云圖及變形大小如圖2和圖3所示。最小應力為1.18N/mm2，最大應力為429N/mm2。最大應變為1.03mm。

由仿真分析結果得知，該結構滿足該產品材質的應力要求，但是，其應變會導致索節體的外撇，而索節體臺肩寬度僅為6mm，這樣一來，再變形狀態小，臺肩承載面積將會更加縮小。

當索筒位于索節體芯部時，由于索節體芯部張開的原因，容易使索筒在收到側向力時拖出索節體。

圖2 改進前索節體

圖3 索節體應力圖

通過上述分析，雖然滿足產品應力要求，但是在應力較大時，索節體的張開狀態，使得索節體內部索節存在脫出索節體芯部的風險，因此，對其進行了結構優化，并進行了有限元仿真分析。

3 優化后的結構及有限元分析

基于上述風險，中心設計了索節體結構，使端部鋼絲繩出口封閉，并對內部索節防脫結構進行了改進。在此結構的基礎上對其進行了有限元分析，其應力及應變見圖4與圖5。

新結構同樣采用合金鋼，質量為5.83kg，體積為0.0007m3，密度為7700kg/m3，重量為57.2N。

有限分析新結構最大應力為394.5N/mm2，最大變形量為0.07mm，相比之前的設計都有所降低，且變形量呈收斂狀，這有利于索節芯部空間收縮對索節體的收緊作用，能夠降低索節受側向力拖出的風險。

圖4 改進后應力分布圖

圖5 優化后應變圖

4 結語

通過使用Ansys Workbench軟件對索節體進行靜力分析可知，改進前與改進后均滿足強度要求，但改進前由于索節體外張。存在索節脫出的風險，而優化改進后的結構，使受力更加合理，且索節體內斂，降低了索筒拖出的風險，對該軟管絞盤索節體的改進具有指導意義。