基于ANSYS的液压支架连接头结构优化设计

孙明明

摘要：连接头作为液压支架和输送机之间的连接件，在工作的过程中承受着巨大的载荷，因此更容易损坏。本文针对ZY2600型液压支架连接头频频出现断裂而影响生产效率的问题提出结构优化方案。先利用CATIA软件对连接头进行建模，然后再利用ANSYS Workbench对其进行静力分析，针对计算所得结果进行分析和结构上的优化。对优化后的连接件再次进行静力分析，结果表明优化后的最大应力较之前有所减小，压力分布较均匀，对于减少连接头断裂问题是可行的。

关键词：液压支架;连接头;ANSYS Workbench;静力分析

0  引言

随着煤炭资源的不断开采，薄煤层煤矿资源所占比重逐渐增大，但是薄煤层却因为其作业空间狭窄的原因导致采出量较低[1]。而ZY2600型液压支架就是针对薄煤层开采而设计的一款小型液压支架。但是在一段時间的使用中发现，该液压支架的连接头断裂非常频繁。因此对ZY2600型液压支架连接头进行结构上的优化是必要的。本文主要利用CATIA建模和ANSYS Workbench分析软件对连接头进行静力结构分析，然后针对分析结果进行优化设计，从而提高连接头的可靠性。

1  ZY2600型液压支架连接头

液压支架通过连接头和输送机连接，整个工作过程包括升架、推溜、降架、移架。液压支架先通过升架将顶梁升至最高，整个液压支架被固定，输送机开始采煤工作，即推溜的过程。当该位置的采煤工作完成后，液压支架通过降架把顶梁降低，液压支架固定解除，液压支架底座的液压缸通过连接在输送机上的连接头拉动液压支架完成移架，继续下一位置的采煤工作。在这个工作的过程中，连接头承受着巨大的载荷和磨损，时常出现断裂的现象，严重的影响了煤炭开采的效率，连接头结构如图1所示。

2  连接头三维模型

根据连接头结构，利用三维建模软件CATIA建立连接头的模型，如图2所示。网格划分的质量对于后期的计算起着至关重要的作用，因此在进行有限元分析前根据模型结构划分出较高质量的网格是很重要的。该几何体结构较为简单规则，采用软件默认的自动划分法即可达到要求，为进一步提高精度，将网格尺寸设置为5mm[2]，网格划分情况如图3所示。

根据实际情况，将连接头的材料设置为27SiMn[3]，本文主要模拟在推溜过程中连接头受推力载荷时的受力情况，对连接头的双孔均施加250KN的轴承载荷，单耳施加圆柱面约束[4]。

3  有限元分析

图4分别为连接头在受到推力时的总变形云图和等效应力云图，从图4中可以看出连接头的受力并不均匀，应力主要集中在中间部分，且最大应力出现在双孔与单孔的连接处，左右两侧几乎对称出现，这是造成连接头易断裂的主要原因，从分析结果可以得到，最大应力为279.4MPa，最大变形量为0.32mm，出现在双孔外端。

根据现实中的实际情况进行统计发现，连接头断裂多是发生在双孔到单孔的连接处，这和本文仿真所得的结果是一致的。

4  连接头的优化设计

根据上面的仿真结果分析并结合实际情况，连接头的断裂原因已经找到，应力集中导致的疲劳裂纹，使得连接头在承受推拉载荷的过程中更易断裂，为减少连接头断裂情况的出现，必须针对其薄弱的环节上进行改造设计。经实际测量，刮板输送机的挂耳厚度为70mm[4]，而连接挂耳的双孔间距却有110mm，将双孔间距缩小为90mm，可以增加双孔与单孔连接处的截面积从而增强其抗拉强度。另外增加双孔凹槽到单孔之间的鞋面长度，避免应力集中在单孔和双孔的连接处。进行优化设计后连接头的结构如图5所示。

改进后再次利用ANSYS软件对连接头进行有限元分析，优化后连接头在受推力时的云图如图6所示。从图6可以看出，改进后的连接头受推力时，应力最大值为232.3MPa，压力分布较之前更均匀，最大应力位置由双孔连接处转移到了单孔内侧，且最大应力比优化前减少了6.9%，最大变形量也有所减少。

5  结论

通过ANSYS有限元分析软件对ZY2600型液压支架连接头进行静力分析并优化，得出以下结果：

①连接头双孔到单孔的连接处出现应力集中，断裂位置多出现在此处;②改进后的连接头受推力时，最大应力位置由双孔连接处转移至单孔内侧处，且最大应力减少6.9%，提高了连接头的可靠性。

参考文献：

[1]王安.煤炭产业可持续发展的选择[J].中国工程科学，2013（11）：1-112.

[2]郝玲，王德友，周俊，张少秋，贾维维，姜仁坤.基于ANSYS的液压支架连接头有限元分析[J].煤矿机械，2012，33（03）：86-88.

[3]吕加鹏.铣刨机升降支腿27SiMn合金钢焊接工艺研究[D]. 2018.

[4]宾春雄，朱能熠，林勇传.基于ANSYS Workbench的液压支架联接头的优化设计[J].煤矿机械，2020，41（05）：129-131.