液压支架后连杆静力分析与结构优化

李佩鸿，侯克邦

（1.盐城工学院 机械工程学院，江苏 盐城 224001；2.安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

液压支架是用来控制采煤工作面矿山压力的机械装置，不仅要维护作业安全，而且还要实现支撑、移架、拉架、侧推输送机等工序［1］。液压支架后连杆是液压支架的重要连接部件，其与前连杆、底座和掩护梁构成四杆机构，可提高液压支架灵活性并扩大作业空间，而不同工况下，液压支架后连杆可能会与掩护梁发生干涉，导致连杆结构因应力过大而损坏［2］。

本文以TZI760/22/35液压支架后连杆为例，根据后连杆位置与受载［3］，对其进行结构静力学分析，在此基础上，以减小应力与变形为目标进行优化，为后连杆的改进设计提供理论依据。

1 后连杆的受力分析

TZI760/22/35液压支架整体结构复杂，因此简化各部件的三维结构为平面杆，将各载荷看作集中载荷对其进行平面受力分析。液压支架整体受力如图1所示。

图1 液压支架整体受力图

以顶梁、掩护梁为分离体［4］，对O取为力矩，根据力矩建立平衡方程，得：

其中：F1、F2、F3分别为前连杆、后连杆、支柱千斤顶作用力；α、β、γ、δ分别为支柱千斤顶倾角、前连杆倾角、后连杆倾角和OO1与水平线的夹角；a、b、c、d分别为O到O1水平距离、O1到水平梁距离、载荷Q到O1水平距离、O到支柱千斤顶距离；Q为顶板承受的集中载荷；f为顶板与顶梁间的摩擦因数。

由式（1）可得：

当液压支架高度升至3 500mm时，参考TZI760/22/35型液压支架的技术参数，取顶板与顶梁间的摩擦因数f＝0.2，根据式（2）可得出后连杆受力情况，如表1所示。

表1 液压支架受力情况

2 后连杆模型建立与静力分析

2.1 后连杆模型的建立

为避免液压支架后连杆完全实体而对底座压力过大，其结构多由组合板和加强板组成，直接在ANSYS建模将增大工作量，因此利用Pro/E软件建立后连杆的三维模型，对需要优化的结构尺寸进行参数化，并建立Pro/E与ANSYS的双向连接，在不影响总体结构的前提下，去掉后连杆过小的倒角、圆角，忽略焊缝，去除安装液压管线等细节部分。取后连杆材料的弹性模量E＝2.08×105MPa，泊松比μ＝0.3，密度ρ＝7 850kg/m3，并默认网格划分，设置网格关联性为60，得到后连杆的三维模型与网格划分模型，如图2所示。

2.2 后连杆的静力学分析

根据受力分析结果，对后连杆与掩护梁连接孔施加载荷，约束后连杆与底座连接孔，得到后连杆的变形云图和应力云图，如图3所示。

图3 后连杆变形云图与应力云图

由图3可得，液压支架后连杆的最大变形为0.60mm，发生在后连杆与掩护梁集中受力处；最大应力为327MPa，发生在后连杆与底座连接处和与掩护梁连接处。

3 后连杆的结构优化设计

ANSYS Workbench优化设计可进行多目标优化，具有双向参数传递动能，主要是调整优化部件的材料、几何体、载荷大小等作为优化设计的输入参数，并通过定义优化方法及优化控制得到相应的质量、变形量、应力分布等输出参数［5］。根据后连杆静力学分析的变形云图及应力云图，结合实际工况，对后连杆进行优化：定义后连杆连接孔尺寸、左右连接杆宽度以及中间加强板厚度为输入参数，定义最大变形与最大应力为输出参数，另外，由于盲目地增大后连杆整体尺寸将增加底座的受力，使得整体结构庞大笨重，因此将后连杆质量也作为输出参数。利用ANSYS Workbench添加变量设计点并更新响应，获得输入参数与输出参数的敏感图，如图4所示。由图4可知，后连杆的连接孔尺寸对变形与应力的敏感度较大，中间加强板的厚度对质量的敏感度较大。据此对后连杆进行结构优化，优化后后连杆的变形云图与应力云图如图5所示，其最大变形为0.549mm，相对优化前减小10%；最大等效应力为283MPa，相对优化前减小14%。

图4 结构敏感分析图

图5 优化后后连杆的变形云图与应力云图

4 结语

后连杆是液压支架的重要组成部件之一，本文以TZI760/22/35液压支架后连杆为研究对象，使用Pro/E软件进行建模，并对优化尺寸进行参数定义，通过ANSYS Workbench静力学分析得到后连杆变形与应力云图，并以应力和变形最小作为优化目标，对后连杆结构进行优化。优化后后连杆的变形与应力较优化前减小，达到了结构优化的目的，对后连杆的优化设计具有一定的参考价值。

［1］李炳文，万丽容，柴光远.矿山机械［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2010.

［2］冯玉香，许民龙.ZY500型液压支架后连杆失效分析及改造［J］.煤矿机械，2001（7）：50－51.

［3］王国法.液压支架技术［M］.北京：煤炭工业出版社，1999.

［4］周建方，高建和，唐国兴.材料力学［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［5］高耀东，宿福存，李震，等.ANSYS Workbench机械工程应用精华30例［M］.北京：电子工业出版社，2013.