液壓支架梁平衡耳座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
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摘要：針對液壓支架掩護(hù)梁平衡耳座受力集中、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊接工藝性差的問題，介紹了一種新型平衡耳座結(jié)構(gòu)。通過對坡口及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使耳座焊接工藝性得到較大提高，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性、板材坡口數(shù)量、組對工序和生產(chǎn)制造成本大大降低，對于減少企業(yè)投資和提高產(chǎn)品競爭力有著重要意義。同時(shí)利用ANSYS軟件對新、舊2種耳座結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，通過對比相同工況條件下耳座的應(yīng)力分布，驗(yàn)證了新型平衡耳座結(jié)構(gòu)的可靠性。
關(guān)鍵詞：平衡耳座；掩護(hù)梁；焊接工藝性；有限元仿真
0引言
液壓支架是綜采三機(jī)中起到支護(hù)作用的主要設(shè)備，其主要作用是支護(hù)頂板，為采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和工作人員提供安全的工作和維修空間。隨著煤礦開采的不斷發(fā)展，對液壓支架的要求也越來越高。掩護(hù)梁是頂梁與底座過渡的重要支撐部件，其用于高工作阻力環(huán)境下。目前，煤炭開采過程中，液壓支架生產(chǎn)、制造及使用主要存在以下幾個(gè)問題：①支架生產(chǎn)廠家只關(guān)注自身利益，選材低配，設(shè)計(jì)粗糙，重量偏重，最終導(dǎo)致產(chǎn)品投資較高；②平衡耳座結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鋼板坡口較多，大大增加了支架產(chǎn)品的焊接難度、備料和生產(chǎn)制造時(shí)間；③掩護(hù)梁耳板組件應(yīng)力集中，焊縫多，受力后容易發(fā)生開裂現(xiàn)象。針對以上問題，通過對已有掩護(hù)梁平衡耳座結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，本文提出一種新型平衡耳座結(jié)構(gòu)，通過改變其連接結(jié)構(gòu)及焊接工藝，將原組件結(jié)構(gòu)改為零件，減少鋼板、坡口數(shù)量、組對次數(shù)，達(dá)到保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，降低了結(jié)構(gòu)件的重量，簡化了生產(chǎn)制造的難度，最終使得產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本大幅降低。
1平衡耳座結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
（1）原平衡耳座結(jié)構(gòu)分析原掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)具體如圖1所示，其平衡耳座由2塊夾板與2塊耳板組成，并直接與掩護(hù)梁焊接成為組件，最后通過2個(gè)橫肋板進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。平衡耳座組件的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用多層夾板帶耳板的形式。由該結(jié)構(gòu)能夠清晰看出，該結(jié)構(gòu)坡口數(shù)量較多，需多次組對拼焊，耗費(fèi)工時(shí)，同時(shí)隨著焊縫的增加，對焊接質(zhì)量的要求也大大增加。（2）平衡耳座新結(jié)構(gòu)本文提出的平衡耳座新結(jié)構(gòu)如圖3所示，將耳板中間的2塊夾板取消，增大耳板長度至頂板，此結(jié)構(gòu)使得耳板與掩護(hù)梁焊接長度大幅度增加，其焊接強(qiáng)度得到良好的改善，結(jié)構(gòu)更加緊湊，坡口數(shù)量大大減少，同時(shí)用橫肋板替代夾板，整體重量減輕約30%，對于成本的降低有著重要意義。
2平衡耳座有限元分析
（1）模型建立分別建立優(yōu)化前、后2種平衡耳座結(jié)構(gòu)三維模型，進(jìn)行ANSYS有限元分析前，在保證仿真計(jì)算精度的前提下，對數(shù)模進(jìn)行簡化處理，具體原則：①忽略焊縫影響，將平衡耳座焊接結(jié)構(gòu)件作為整體結(jié)構(gòu)件；②忽略工作過程中非受力的孔、擋銷座、吊環(huán)等結(jié)構(gòu)和零部件；③保留掩護(hù)梁危險(xiǎn)截面及耳座周邊的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過簡化后的三維模型如圖4所示。（2）網(wǎng)格劃分及邊界條件的施加將上述2種三維模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench中生成有限元模型。網(wǎng)格尺寸設(shè)定為10mm，采用自由劃分的方法獲得非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型；運(yùn)用內(nèi)加載的方式分別對掩護(hù)梁優(yōu)化前、后的平衡耳座結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效載荷加載，按實(shí)際載荷的1.5倍進(jìn)行加載；各板材材料設(shè)置為HG785，該型號鋼材廣泛應(yīng)用于液壓支架當(dāng)中。（3）結(jié)果對比分析 掩護(hù)梁耳座在1.5倍實(shí)際載荷加載情況下進(jìn)行應(yīng)力分析，其應(yīng)力云圖如圖5所示。從圖5結(jié)果對比可知，2種結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位置變化不大，舊結(jié)構(gòu)平衡耳座最大應(yīng)力值為2311.7MPa，新結(jié)構(gòu)耳座最大應(yīng)力值為2887MPa，兩者存在差異的根本原因在于原結(jié)構(gòu)所用的拼焊結(jié)構(gòu)件較多，因此其強(qiáng)度相對較高，應(yīng)力分布更加均勻；優(yōu)化后結(jié)構(gòu)平衡耳座強(qiáng)度相比原結(jié)構(gòu)平衡耳座雖略微降低，但依然在安全范圍內(nèi)，且減輕了重量，能夠保證正常的生產(chǎn)和使用。
3結(jié)語
（1）在相同工況條件下，本文提出的掩護(hù)梁平衡耳座新結(jié)構(gòu)在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，能夠減少鋼板、坡口數(shù)量、組對次數(shù)，最終使得產(chǎn)品的生產(chǎn)制造成本大幅降低；（2）該結(jié)構(gòu)不僅能夠應(yīng)用于掩護(hù)梁中，還能夠應(yīng)用于頂梁中，同時(shí)該結(jié)構(gòu)支架已經(jīng)取得國家煤礦安全標(biāo)志證書，并在貴州共興煤礦公司投入生產(chǎn)使用，設(shè)備運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，無開裂現(xiàn)象。經(jīng)對比核算，新結(jié)構(gòu)支架成本相比于原結(jié)構(gòu)支架降低了約1000元/臺，這對于具有大批量特點(diǎn)的綜采設(shè)備制造，其成本節(jié)約及產(chǎn)品市場競爭力的提升有著重大意義。
作者:孫彬 鮑鵬飛 裴群武 王鵬 魏來 單位:三一重型裝備有限公司
