索节体有限元分析及优化

葛岩，孙余，倪坤，刘松

（1.江苏徐工工程机械研究院有限公司；2.徐州徐工基础工程机械有限公司，江苏 徐州 221004）

液压管排是由多根液压管并排组成的动力传输组件，其应用于全液压工程机械中，用于传输液压能，由于其长度较长，需要将其分段连接，并缠绕于绞盘内部，因此，也称其为绞盘液压管排，本文中提及的液压管排应用于双轮铣槽机（后简称双轮铣）。

液压管排用于传输双轮铣主机液压能到工作装置刀架，因其管路较长，需要两侧钢丝绳进行防护，称其为防护组件，其防护组件为由钢丝绳、防护块，连接索节组成的装置，由于其结构紧凑，结构特殊，本文将防护组件中的连接索节作为研究对象，对其进行受力仿真分析，并优化其结构，对优化后结构进行受力分析。

1 连接索节的结构及受力情况

连接索节芯部用于容纳两只索筒，索筒通过压制方式与钢丝绳固定在一起，因此，承载的拉力作用于连接索节上，连接索节的端口开洞用于通过钢丝绳。索筒台阶作用于索节台阶之上。钢丝绳受拉力作用下，索筒台阶对索节台阶有产生一定的拉力，该拉力的大小受到软管管排自身重力大小的影响，通常为固定的拉力，本文中的双轮铣软管管排自身重力为8.8吨，因此钢丝绳索筒作用于索节台阶上的力同样为8.8吨。整体应用图如图1。

图1 整体应用图

2 优化前的产品结构及有限元分析

连接索节质量为5.5kg，体积为0.0007m3，密度为7700kg/m3，重量为55.6N。连接索节采用合金钢，屈服强度为620N/m2。

在Pro/E中绘制索节体三维模型，并导入ANSYS中进行网格划分，利用上述拉力载荷加载计算，索节体应力云图及变形大小如图2和图3所示。最小应力为1.18N/mm2，最大应力为429N/mm2。最大应变为1.03mm。

由仿真分析结果得知，该结构满足该产品材质的应力要求，但是，其应变会导致索节体的外撇，而索节体台肩宽度仅为6mm，这样一来，再变形状态小，台肩承载面积将会更加缩小。

当索筒位于索节体芯部时，由于索节体芯部张开的原因，容易使索筒在收到侧向力时拖出索节体。

图2 改进前索节体

图3 索节体应力图

通过上述分析，虽然满足产品应力要求，但是在应力较大时，索节体的张开状态，使得索节体内部索节存在脱出索节体芯部的风险，因此，对其进行了结构优化，并进行了有限元仿真分析。

3 优化后的结构及有限元分析

基于上述风险，中心设计了索节体结构，使端部钢丝绳出口封闭，并对内部索节防脱结构进行了改进。在此结构的基础上对其进行了有限元分析，其应力及应变见图4与图5。

新结构同样采用合金钢，质量为5.83kg，体积为0.0007m3，密度为7700kg/m3，重量为57.2N。

有限分析新结构最大应力为394.5N/mm2，最大变形量为0.07mm，相比之前的设计都有所降低，且变形量呈收敛状，这有利于索节芯部空间收缩对索节体的收紧作用，能够降低索节受侧向力拖出的风险。

图4 改进后应力分布图

图5 优化后应变图

4 结语

通过使用Ansys Workbench软件对索节体进行静力分析可知，改进前与改进后均满足强度要求，但改进前由于索节体外张。存在索节脱出的风险，而优化改进后的结构，使受力更加合理，且索节体内敛，降低了索筒拖出的风险，对该软管绞盘索节体的改进具有指导意义。