基于ANSYS中部槽推移耳结构优化设计

2013-04-18吕振华袁进南王和伟

采矿与岩层控制工程学报 2013年2期

吕振华，袁进南，王和伟

(三一重型综采成套装备有限公司，辽宁沈阳110027)

刮板输送机推移耳承受工作面液压支架的拉架力、推溜力，在推中部槽、拉液压支架的过程中，推移耳容易受力不均匀，进而出现耳板断裂、耳板变形、耳板拉移孔处被拉溃等失效形式。(图1所示为推移耳断裂失效)。推移耳失效后导致刮板输送机及液压支架无法推移，综采工作面不能推进。只有更换整节中部槽，才能继续工作。为此，对刮板输送机推移耳进行了应力分析和优化设计，改善该部位受力状况与外形结构，计算结果表明，该结构合理，可用于生产实际。

图1 推移耳断裂失效

1 模型有限元分析

1.1 中部槽推移耳建模

用Pro/E建立的中部槽三维实体模型结构如图2所示。由图可知推移耳是倾斜一定度数的“腰形孔”结构，这种结构在支架推移刮板输送机时，推移力位于中部槽质心位置，从而水平推移中部槽，防止中部槽向前推动时铲入底板或上翘压煤。

中部槽推移耳优化设计能有效提高刮板输送机中部槽使用寿命及拉移耳强度，提高工作效率。参考文献［1］将中部槽推移耳拉孔设计成为“L”形，有效改善了推移耳部位应力的分布，提高了在推移耳部位的材料使用效率。采用该结构后，最大应力峰值在受力区域比优化前降低了17.37%［1］。参考文献［2］将中部槽推移耳与槽帮相连处开槽，改善了“∑”形复杂曲面处受力状况，避免了应力集中;同时改善了挡板槽帮的铸造工艺性，有助于铸造槽帮推移耳处散热，有效避免了在推移耳处产生的残余应力。图3为目前实际使用效果较好的推移耳结构。

图2 中部槽三维实体模型

图3 推移耳结构示意

1.2 中部槽推移耳模型前处理

本文对槽宽800系列刮板输送机中部槽挡板槽帮对推移耳受力进行应力分析。利用三维建模软件Pro/E建模，采用ANSYS进行应力分析，将模型进行导入。刮板输送机最大拉架力为800kN，最大推溜力为540kN。槽帮采用铸钢材料，不考虑铸造缺陷，材料密度7850kg/m2，弹性模量210GPa，泊松比取0.3，抗拉强度σb=680MPa，屈服强度σs=480MPa，安全系数取1.5，许用应力［σ］ = 453MPa。

推移耳承力面进行网格单独划分，其他整体进行自由网格划分。中部槽在推移过程中，主要承受液压支架的拉架力与推溜力，中部槽重量和挡板槽帮两端的凸凹端头为阻碍中部槽移动的约束，限制推移耳的移动与转动。推移耳在拉架时承受的最大拉架力，是推移耳容易出现破坏的工况，本文以此工况进行加载。中部槽两端的凸凹面为约束面，在ANSYS中设置为刚性约束，限制中部槽的上下移动与左右转动自由度，与槽帮相连的部件分别为中板、底板约束其在前后方向的移动，施加余弦力为推移耳承受的拉压力，所有载荷与约束施加完成后模型如图4所示。

图4 模型载荷约束

1.3 中部槽推移耳应力分析结果

当模型在ANSYS中前处理完成后，对中部槽挡板槽帮危险工况下进行求解，分析结果如图5和图6所示。从应力云图和位移图可以看出最大应力值位置出现在受拉部位，与实际中部槽受力最大的位置吻合，该结构受力后的危险区域同样与实际相符，证明了分析计算的正确性。

图5 优化前槽帮节点应力

图6 优化前槽帮节点位移

危险工况下的模型最大变形值为 0.099113 mm，因为中部槽对刚度的要求不高，该变形在其允许范围内，材料刚度满足使用要求。危险工况下最大应力为212.471MPa，计算安全系数为:ns= (480/212.471)=2.26，根据使用材料的屈服极限480MPa及安全系数1.5，满足使用要求。由于中部槽在实际工作过程中，推移耳受拉架力产生的冲击，出现受力不均，造成中部槽推移耳损坏，故可靠性还需进一步提高。

2 推移耳模型结构的优化

2.1 改进设计模型

由前述计算可知中部槽推移耳是整个结构的薄弱环节，有必要对其受力分布进行优化。首先，推移耳与槽帮的联接设计成壁厚无急剧变化的结构形式，要求圆滑过渡并设计合理，改善其铸造工艺性，避免产生残余应力。其次，对推移耳结构形状进行改进，将其形状设计为“Z”形，优化了推移中部槽时的受力，推移腰形孔设计锥度1∶50(图7)，联接销采用锥销，产生一定的轴向力，改善中部槽倾斜推移和倾斜拉架时的受力状态和推移孔处的受力状况。