基于ANSYS中部槽推移耳結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂振華，袁進(jìn)南，王和偉

(三一重型綜采成套裝備有限公司，遼寧沈陽110027)

刮板輸送機(jī)推移耳承受工作面液壓支架的拉架力、推溜力，在推中部槽、拉液壓支架的過程中，推移耳容易受力不均勻，進(jìn)而出現(xiàn)耳板斷裂、耳板變形、耳板拉移孔處被拉潰等失效形式。(圖1所示為推移耳斷裂失效)。推移耳失效后導(dǎo)致刮板輸送機(jī)及液壓支架無法推移，綜采工作面不能推進(jìn)。只有更換整節(jié)中部槽，才能繼續(xù)工作。為此，對刮板輸送機(jī)推移耳進(jìn)行了應(yīng)力分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善該部位受力狀況與外形結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)合理，可用于生產(chǎn)實(shí)際。

圖1 推移耳斷裂失效

1 模型有限元分析

1.1 中部槽推移耳建模

用Pro/E建立的中部槽三維實(shí)體模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖可知推移耳是傾斜一定度數(shù)的“腰形孔”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在支架推移刮板輸送機(jī)時(shí)，推移力位于中部槽質(zhì)心位置，從而水平推移中部槽，防止中部槽向前推動時(shí)鏟入底板或上翹壓煤。

中部槽推移耳優(yōu)化設(shè)計(jì)能有效提高刮板輸送機(jī)中部槽使用壽命及拉移耳強(qiáng)度，提高工作效率。參考文獻(xiàn)［1］將中部槽推移耳拉孔設(shè)計(jì)成為“L”形，有效改善了推移耳部位應(yīng)力的分布，提高了在推移耳部位的材料使用效率。采用該結(jié)構(gòu)后，最大應(yīng)力峰值在受力區(qū)域比優(yōu)化前降低了17.37%［1］。參考文獻(xiàn) ［2］將中部槽推移耳與槽幫相連處開槽，改善了“∑”形復(fù)雜曲面處受力狀況，避免了應(yīng)力集中;同時(shí)改善了擋板槽幫的鑄造工藝性，有助于鑄造槽幫推移耳處散熱，有效避免了在推移耳處產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。圖3為目前實(shí)際使用效果較好的推移耳結(jié)構(gòu)。

圖2 中部槽三維實(shí)體模型

圖3 推移耳結(jié)構(gòu)示意

1.2 中部槽推移耳模型前處理

本文對槽寬800系列刮板輸送機(jī)中部槽擋板槽幫對推移耳受力進(jìn)行應(yīng)力分析。利用三維建模軟件Pro/E建模，采用ANSYS進(jìn)行應(yīng)力分析，將模型進(jìn)行導(dǎo)入。刮板輸送機(jī)最大拉架力為800kN，最大推溜力為540kN。槽幫采用鑄鋼材料，不考慮鑄造缺陷，材料密度7850kg/m2，彈性模量210GPa，泊松比取0.3，抗拉強(qiáng)度σb=680MPa，屈服強(qiáng)度σs=480MPa，安全系數(shù)取1.5，許用應(yīng)力 ［σ］ = 453MPa。

推移耳承力面進(jìn)行網(wǎng)格單獨(dú)劃分，其他整體進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。中部槽在推移過程中，主要承受液壓支架的拉架力與推溜力，中部槽重量和擋板槽幫兩端的凸凹端頭為阻礙中部槽移動的約束，限制推移耳的移動與轉(zhuǎn)動。推移耳在拉架時(shí)承受的最大拉架力，是推移耳容易出現(xiàn)破壞的工況，本文以此工況進(jìn)行加載。中部槽兩端的凸凹面為約束面，在ANSYS中設(shè)置為剛性約束，限制中部槽的上下移動與左右轉(zhuǎn)動自由度，與槽幫相連的部件分別為中板、底板約束其在前后方向的移動，施加余弦力為推移耳承受的拉壓力，所有載荷與約束施加完成后模型如圖4所示。

圖4 模型載荷約束

1.3 中部槽推移耳應(yīng)力分析結(jié)果

當(dāng)模型在ANSYS中前處理完成后，對中部槽擋板槽幫危險(xiǎn)工況下進(jìn)行求解，分析結(jié)果如圖5和圖6所示。從應(yīng)力云圖和位移圖可以看出最大應(yīng)力值位置出現(xiàn)在受拉部位，與實(shí)際中部槽受力最大的位置吻合，該結(jié)構(gòu)受力后的危險(xiǎn)區(qū)域同樣與實(shí)際相符，證明了分析計(jì)算的正確性。

圖5 優(yōu)化前槽幫節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

圖6 優(yōu)化前槽幫節(jié)點(diǎn)位移

危險(xiǎn)工況下的模型最大變形值為 0.099113 mm，因?yàn)橹胁坎蹖偠鹊囊蟛桓?，該變形在其允許范圍內(nèi)，材料剛度滿足使用要求。危險(xiǎn)工況下最大應(yīng)力為212.471MPa，計(jì)算安全系數(shù)為:ns= (480/212.471)=2.26，根據(jù)使用材料的屈服極限480MPa及安全系數(shù)1.5，滿足使用要求。由于中部槽在實(shí)際工作過程中，推移耳受拉架力產(chǎn)生的沖擊，出現(xiàn)受力不均，造成中部槽推移耳損壞，故可靠性還需進(jìn)一步提高。

2 推移耳模型結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

2.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)模型

由前述計(jì)算可知中部槽推移耳是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，有必要對其受力分布進(jìn)行優(yōu)化。首先，推移耳與槽幫的聯(lián)接設(shè)計(jì)成壁厚無急劇變化的結(jié)構(gòu)形式，要求圓滑過渡并設(shè)計(jì)合理，改善其鑄造工藝性，避免產(chǎn)生殘余應(yīng)力。其次，對推移耳結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)行改進(jìn)，將其形狀設(shè)計(jì)為“Z”形，優(yōu)化了推移中部槽時(shí)的受力，推移腰形孔設(shè)計(jì)錐度1∶50(圖7)，聯(lián)接銷采用錐銷，產(chǎn)生一定的軸向力，改善中部槽傾斜推移和傾斜拉架時(shí)的受力狀態(tài)和推移孔處的受力狀況。

2.2 優(yōu)化后模型分析結(jié)果對比

優(yōu)化設(shè)計(jì)后模型，采用如前相同方式加載約束、載荷，分析結(jié)果如圖8和圖9所示。改進(jìn)前后相同工況下最大位移和應(yīng)力列表如表1所示。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值為174.492MPa，應(yīng)力最大值降低了17.9%，應(yīng)力均勻化，形狀優(yōu)化后，節(jié)約了材料用量，提高擋板槽幫強(qiáng)度。

圖7 推移耳截面

表1 推移耳計(jì)算對比

圖8 優(yōu)化后槽幫節(jié)點(diǎn)應(yīng)力

圖9 優(yōu)化后槽幫節(jié)點(diǎn)位移

3 結(jié)束語

以SGZ800/800型刮板輸送機(jī)中部槽鑄造擋板槽幫為例，對其進(jìn)行靜應(yīng)力分析，設(shè)計(jì)出“Z”形錐面推移耳結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果表明，優(yōu)化后的推移耳結(jié)構(gòu)合理，應(yīng)力分布均勻且數(shù)值較低，提高了槽幫強(qiáng)度，達(dá)到了預(yù)期效果。

［1］穆潤青，賈海朋，等.刮板輸送機(jī)輸煤槽拉移耳形狀優(yōu)化［J］.煤礦機(jī)械，2009，30(1):5－7.

［2］趙江華，鞠 鵬，陳令國.基于ANSYS Workbench中部槽擋板槽幫優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011，11(18): 4332－4334.

［3］郄彥輝，王秀紅，劉 波，等.基于ANSYS WORKBENCH的中部槽優(yōu)化研究［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39(5).