基于ANSYS Workbench 的液压支架推移杆有限元分析❋

田虎楠，王作棠，辛 林，黄温钢，张 朋，王建华

（1．中国矿业大学 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏 徐州 221116；2．中国矿业大学 矿业工程学院，江苏 徐州 221116；3．新疆大学 机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830008；4．徐州中澳能源科技有限公司，江苏 徐州 221008）

0 引言

液压支架是煤矿重要的综采机械设备之一，其主要作用是推移刮板机、采煤机和支护顶板等。液压支架推移机构是液压支架的关键组成部分，包括长推移机构和短推移机构两种形式。组合式推移机构属于长推移机构，主要由推移千斤顶、组合式推移杆、连接头和销轴组成，其作用是推溜、移架和拉后溜［1］。

1 推移杆的三维实体建模

液压支架推杆大部分是由钢板组焊而成的箱型结构件［2，3］，结构不算太复杂。为提高数值模拟的精度和减少计算机的迭代次数，在进行有限元三维实体建模前有必要对推杆进行合理的简化：忽略对推移杆强度分析影响不大的筋板、导向板、导向轴、焊缝坡口等。在此原则下利用SolidWorks建立了组合式推移杆三维实体模型，如图1所示。

图1 组合式推移杆三维实体模型

2 材料选取和网格划分

液压支架推杆在井底的实际受力十分复杂，为了保证有足够的强度、刚度和塑性，推杆的材料选用Q460，屈服强度σs＝460MPa，弹性模量E＝200GPa，泊松比μ＝0．28，密度ρ＝7 850kg／m3。

不考虑焊缝对推移杆有限元分析的影响，将推移杆作为一个实体进行整体的网格自由划分，网格类型选用具有蠕变、膨胀、塑性、大变形、应力强大和大应变能力的Solid45单元，网格尺寸为32．5，网格数为37 889个。推移杆网格划分如图2所示。

图2 推移杆网格划分

3 推移杆的受力分析

将在SolidWorks［4，5］中建立的三维实体模型导入到专业的有限元分析软件 ANSYS Workbench［6］中，根据液压支架推杆的实际使用工况和受力特点，采用不同的约束和载荷对其强度进行有限元分析。本文主要对液压支架井下常见的3种工况进行有限元分析［7－9］。

3．1 工况一（组合式推移杆推移输送机）

由推移千斤顶的技术特征可知，在泵站压力为31．5MPa时，千斤顶的最大推溜力为361kN，在组合式推移杆推移输送机即推溜工况下，组合式推移杆受压，推移杆右端为固定约束。此工况下的有限元分析结果如图3和图4所示。

3．2 工况二（组合式推移杆拉液压支架）

在泵站压力为31．5MPa时，千斤顶的最大拉架力为633．5kN，在组合式推移杆拉液压支架工况下组合式推移杆受拉，推移杆左端为固定约束。此工况下的有限元分析结果如图5和图6所示。

图3 工况一下推移杆应力分析云图

图4 工况一下推移杆总变形分析云图

图5 工况二下推移杆应力分析云图

图6 工况二下推移杆总变形分析云图

3．3 工况三

组合式推移杆推移输送机的同时受输送机下滑力的作用。此工况下液压支架推移杆的受力比较复杂，推移杆在推溜力作用下同时承受拉溜力作用，推移杆右端为固定约束。此工况下的有限元分析结果如图7和图8所示。

图7 工况三下推移杆应力分析云图

4 结论

（1）由工况一的应力云图和位移云图可得：组合式推移杆的最大应力出现在后推杆的耳座与推移千斤顶的连接处，最大应力σmax＝126．2MPa，最大变形量在前推移杆的前部，为1．39mm。

图8 工况三下推移杆总变形分析云图

（2）由工况二的应力云图和位移云图可得：组合式推移杆的最大应力出现在前推杆两主筋板的后部，最大应力σmax＝1 029．5MPa；最大变形量出现在前推移杆的前部，为7．6mm。应力和变形较大的主要原因是在前推杆主筋板的尾部产生了应力集中，可以通过适当增加过渡圆角半径来消除应力集中。

（3）由工况三的应力云图和位移云图可以看到：组合式推移杆的最大应力出现在后推杆的耳座与推移千斤顶的连接处，最大应力σmax＝225MPa；最大变形在前推移杆的前部，为3．78mm。

（4）由3种工况下的应力分析云图可得：后推杆部分除与推移千斤顶连接的耳座外，其余的应力都小于400MPa，可以考虑选用Q420钢板或适当降低板厚，以降低成本。

［1］ 王国法．液压支架技术［M］．北京：煤炭工业出版社，1999．

［2］ 鲁忠良，景国勋，肖亚宁．液压支架设计使用安全辨析［M］．北京：煤炭工业出版社，2006．

［3］ 丁绍南．采煤工作面液压支架设计［M］．北京：世界图书出版公司，1992．

［4］ 詹友刚．SolidWorks2012宝典［M］．北京：机械工业出版社，2012．

［5］ CAD／CAM／CAE技术联盟．SolidWorks2012中文版从入门到精通（附光盘）［M］．北京：清华大学出版社，2012．

［6］ 凌桂龙，丁金滨，温正．ANSYS Workbench 13．0从入门到精通（配光盘）［M］．北京：清华大学出版社，2012．

［7］ 孙红发，于德润．ZY10800／28／63型液压支架推移杆可靠性分析与研究［J］．煤矿机械，2008，29（6）：45－47．

［8］ 何文斌，李宏．基于ANSYS的液压支架强度有限元分析［J］．煤矿机械，2006，27（10）：91－93．

［9］ 费建军，吴劲松．危险工况下液压支架推移杆的研究与分析［J］．煤矿机械，2010，31（9）：43－44．