ZY6400/21/45液压支架推杆的强度分析及结构优化

刘建英，赵 琪

(1.河南工程学院 机械工程学院，河南 郑州 451191；2.郑州煤矿机械集团股份有限公司，河南 郑州 450007)

推杆是液压支架推移机构中非常重要的组成部分，其性能的好坏直接影响工作面的整体性能.推杆一旦损坏，就会造成推移机构的故障，不但影响工作面的推进速度, 而且直接影响工作面的出煤产量.因此，对液压支架推杆进行强度分析和结构优化是非常必要的.

图1 简化后的推杆装配体Fig.1 The simplified push rod assembly

1 液压支架推杆的模型简化

液压支架的推杆主要由前推杆、后推杆、十字头和销轴组成.在对其进行有限元分析时，部分组件对推杆整体强度的影响不大，所以在分析过程中为了简化分析模型，保证主要部件分析结果的准确性，只考虑推杆的主要组成部件.简化后的推杆装配体[1-2]如图1所示.

2 液压支架推杆的有限元分析

2.1 定义材料属性

在完成ZY6400/21/45掩护式液压支架推杆的模型简化及装配的基础上，对推杆的各个零部件定义材料属性.其中，前推杆和后推杆的材料为Q460，十字头的材料为27SiMn，销轴的材料为30CrMnTi，如表1所示.

表1 推杆的材料属性Tab.1 The push rod material properties

2.2 划分网格

图2 液压支架推杆的网格划分Fig.2 The hydraulic support push rod grid partition

支架模型在SolidWorks Simulation中的的网格划分如图2所示.

2.3 定义载荷和约束

推移千斤顶拉移液压支架即拉架，推杆受到拉架力，由推移千斤顶的技术特征可知，千斤顶的拉架力为633 kN.对前推杆左侧的轴孔采用固定铰链夹具，对其导向板两侧和上端面添加约束，两个轴孔添加销钉联结.该工况下施加约束和载荷后的推杆模型如图3所示.对耳块的外端面施加载荷，施加载荷的方向如图4所示.

图3 推杆的受力模型Fig.3 The push rod stress model

图4 施加载荷的方向Fig.4 Direction of applied load

2.4 有限元分析

由于拉移支架过程中推移千斤顶的拉架力比较大，前推杆和销轴所受的载荷较大，容易发生屈服,故重点对前推杆和销轴进行有限元分析.由零件图技术参数可知，推移千斤顶与推杆所成角度约为10°，经计算得知推杆在水平方向上所受的力为155.8 kN.对模型进行分析，分别生成推杆的应力、位移、应变、安全系数云图，如图5、图6、图7和图8所示.

图5 应力云图Fig.5 The stress nephogram

图6 位移云图Fig.6 The displacement nephogram

图7 应变云图Fig.7 The strain nephogram

图8 安全系数云图Fig.8 Safety factor nephogram

3 推杆的结构优化

图9 槽部特征销轴(单位：mm)Fig.9 Groove part feature pin(unit：mm)

由以上数据分析可知，前推杆和销轴出现应力集中，前连杆的最大应力超过其屈服强度，同时发生较大的位移和应变，安全系数也比较低.为保证液压支架推杆的正常运作，对销轴进行改进.为了减少应力集中，在销轴上切出一个槽部，以改变其应力分布.销轴上的槽部特征如图9所示.

有限元分析的结果如图10和图11所示.销轴的最大应力为955 kN，前推杆的最大应力为306 kN，均未超出其屈服强度.销轴的安全系数为1.22，前推杆的安全系数为1.5，均大于1.2，且销轴的安全系数低于前推杆，能够对推杆系统起到保护作用，符合安全销轴的要求.

图10 应力云图Fig.10 The stress nephogram

图11 安全系数云图Fig.11 Safety factor nephogram

4 结论

通过对推杆材料属性进行定义和网格划分，添加载荷和约束后，对推杆进行有限元分析，得出了各主要部件的应力、位移、应变及安全系数云图.通过分析，在保证推杆主要部件安全的前提下，对安全销轴进行了优化.

参考文献：

[1] 宇迪,陈新中,黄永志.QY200/14/31型液压支架关键部件有限元分析[J].煤矿开采,2011(3):107-110.

[2] 王国法，徐亚军.液压支架三维建模及其运动仿真[J].煤炭科学技术，2003(5)：78-81.