基于三維實(shí)體模型的液壓支架運(yùn)動(dòng)與靜強(qiáng)度研究

韓琳，劉英林

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024；2.西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)備租賃分公司，太原 030053）

基于三維實(shí)體模型的液壓支架運(yùn)動(dòng)與靜強(qiáng)度研究

韓琳1,2，劉英林1

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024；2.西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)備租賃分公司，太原 030053）

通過(guò)綜合運(yùn)用三維實(shí)體建模與分析軟件Pro/E，建立了支頂支掩式液壓支架的實(shí)體三維模型，并對(duì)該液壓支架在工作過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了分析，對(duì)該模型的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)通過(guò)HYPERWORK進(jìn)行了分析，得出一些對(duì)于該液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)的有益的結(jié)論。

液壓支架；三維實(shí)體模型；運(yùn)動(dòng)軌跡；有限元分析

液壓支架是礦井用來(lái)控制綜合機(jī)械化采煤工作面礦山壓力的關(guān)鍵設(shè)備，因此研制出的液壓支架能否滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件要求以及其本身所具有的工作性能可靠性，是礦井能否實(shí)現(xiàn)安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵一環(huán)。通過(guò)綜合運(yùn)用三維實(shí)體建模與分析軟件Pro/E，本文建立了支頂支掩式液壓支架的實(shí)體三維模型，并對(duì)該液壓支架在工作過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了仿真，最后對(duì)該模型的結(jié)構(gòu)靜力學(xué)通過(guò)HYPERWORK進(jìn)行了分析[1-5]。

1 支頂支掩式液壓支架的三維模型

通過(guò)建立支頂支掩式液壓支架的實(shí)體三維模型，不僅使其具有直觀性，而且在更大的程度上能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其零件的修改、調(diào)整以及裝配，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其運(yùn)動(dòng)分析和靜力分析將會(huì)更為準(zhǔn)確。

本文通過(guò)Pro/E軟件的功能模塊對(duì)其零件建立三維實(shí)體模型，并在其零件裝配過(guò)程中，施加完全約束裝配于支架的頂梁、底座、掩護(hù)梁以及前后連桿之間，其余零件之間均采用部分約束裝配。

2 運(yùn)動(dòng)分析

1）液壓支架模型的干涉檢查。通過(guò)Pro/E的Mechanism模塊對(duì)所建立的支頂支掩式液壓支架的實(shí)體三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。液壓支架實(shí)際工作中的升、降、推、移等過(guò)程則是通過(guò)設(shè)置驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而液壓支架支護(hù)工作的機(jī)械化則是通過(guò)液控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)液壓支架與其附屬裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而這兩個(gè)部分之間的驅(qū)動(dòng)又是通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)兩者之間的連接軸處來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

液壓支架的運(yùn)動(dòng)分析是通過(guò)Pro/E軟件中的分析測(cè)量模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并選用全局干涉對(duì)其回放結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)干涉檢查。如若干涉區(qū)變亮，則說(shuō)明干涉區(qū)中出現(xiàn)干涉，以此分析研究干涉區(qū)中出現(xiàn)干涉的原因并在此基礎(chǔ)上對(duì)出現(xiàn)干涉的零件進(jìn)行修改和編輯，而后對(duì)其重新進(jìn)行干涉檢查。

2）液壓支架模型運(yùn)動(dòng)軌跡分析見(jiàn)圖1。圖l為液壓支架模型運(yùn)動(dòng)軌跡示意圖。

為了便于計(jì)算，定義圖中各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為：O(0，0)，T(x，y)，A(x1，y1)，B(x2，y2)，C(a，-b)。

由此可得：OA的斜率為k1，BC的斜率為后k2。TB=s，DA=R，BC=r，λ=m/n。

以液壓支架各零件之間的相互關(guān)系為基礎(chǔ)建立方程聯(lián)立求得T點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程為：

運(yùn)用上述公式得到A、B兩點(diǎn)不同位置相應(yīng)的坐標(biāo)值，并對(duì)坐標(biāo)值通過(guò)Excel表格處理得到液壓支架頂梁的運(yùn)動(dòng)軌跡，見(jiàn)圖2。

由圖2得出：液壓支架頂梁在1.5m～2.5m的工作高度范圍內(nèi)將發(fā)生-20mm～0.8m的向后運(yùn)動(dòng)，也就是支架頂梁的梁端距在0～12mm的范圍內(nèi)變化。根據(jù)對(duì)支架運(yùn)動(dòng)軌跡的分析結(jié)果可以得出，該液壓支架的結(jié)構(gòu)是合理的。

3 有限元分析

1）有限元分析是通過(guò)Pro/E軟件的接口設(shè)置將其所建立的液壓支架三維實(shí)體模型集成到HYPERWORKS中對(duì)不同載荷下液壓支架頂梁應(yīng)力變形等情況進(jìn)行分析得出的。圖3所示分別為F1=2 360 kN和F2=3 540 kN的兩個(gè)集中載荷作用在液壓支架頂梁上，圖中F0=5 900 kN是液壓支架伸縮立柱所產(chǎn)生的支撐力。圖4和圖5分別為對(duì)液壓支架頂梁在圖3的載荷作用下經(jīng)過(guò)有限元分析所得到的應(yīng)力云圖和變形圖。

由圖3-圖5可知，液壓支架頂梁在受到圖3所示的F1和F2的柱窩兩端集中載荷的條件下將會(huì)在柱窩部位會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。此時(shí)液壓支架頂梁所受到的最大應(yīng)力為199MPa，最大變形出現(xiàn)在液壓支架頂梁的前端部位，其最大值為1.315mm，該液壓支架頂梁的長(zhǎng)度大約為3m，因此能夠滿(mǎn)足液壓支架正常工作的要求。

2）圖6為F=900 kN的集中載荷作用在液壓支架頂梁前端的示意圖。對(duì)這種載荷狀態(tài)下的頂梁進(jìn)行有限元分析。圖7和圖8分別為對(duì)液壓支架頂梁在圖6的載荷作用下經(jīng)過(guò)有限元分析所得到的應(yīng)力云圖和變形圖。

由圖6-圖8可知，液壓支架頂梁前端在受到圖6所示的F的集中載荷的條件下將會(huì)在頂梁靠近柱窩的部位出現(xiàn)最大應(yīng)力，其最大值為328MPa，最大變形出現(xiàn)在液壓支架頂端部位，其最大值為59.23mm。

3）圖9為F=1000 kN的集中載荷作用在液壓支架頂梁中前端的示意圖。對(duì)這種載荷狀態(tài)下的頂梁進(jìn)行有限元分析。圖10和圖11分別為對(duì)液壓支架頂梁在圖9的載荷作用下經(jīng)過(guò)有限元分析所得到的應(yīng)力云圖和變形圖。

由圖9-圖11可知，液壓支架頂梁中前端在受到圖9所示的F的集中載荷的條件下將會(huì)在頂梁靠近柱窩的部位出現(xiàn)最大應(yīng)力，其最大值為359 MPa，最大變形出現(xiàn)在液壓支架頂梁前端部位，其最大值為4.262mm。

4）圖12為q=1.4 MPa的均布載荷作用在液壓支架頂梁的示意圖。對(duì)這種載荷狀態(tài)下的頂梁進(jìn)行有限元分析。圖13和圖14分別為對(duì)液壓支架頂梁在圖12的載荷作用下經(jīng)過(guò)有限元分析所得到的應(yīng)力云圖和變形圖。

由圖12-圖14可知，液壓支架頂梁在受到圖9所示q的均布載荷的條件下將會(huì)在頂梁靠近柱窩的部位出現(xiàn)最大應(yīng)力，其最大值為596 MPa，最大變形出現(xiàn)在液壓支架頂端部位，其最大值為19.96mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)比四種載荷情況下的有限元分析結(jié)果可以得出，液壓支架頂梁在靠近柱窩附的部位出現(xiàn)應(yīng)力值比較高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，其應(yīng)力最大值可達(dá)596 MPa；最大變形出現(xiàn)在液壓支架頂梁前端，其最大值為20mm。此外，液壓支架頂梁靠近中部柱窩部位在承載集中應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力分布比較合理，最大應(yīng)力為359 MPa，最大變形量為4.3mm。

綜上所述，有比較大的擠壓應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用在液壓支架的前排立柱與柱窩的載荷作用點(diǎn)或作用面上。由此在支頂支掩式液壓支架的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該將具有足夠強(qiáng)度的材料應(yīng)用于該結(jié)構(gòu)處以滿(mǎn)足液壓支架正常工作的要求。

［1］魏陽(yáng)，王書(shū)義.基于Pro/E的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真分析[J].現(xiàn)代機(jī)械，2001（5）：55-56．

［2］劉真祥.液壓支架模擬測(cè)試系統(tǒng)模型[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999（4）：288-29l.

［3］王國(guó)法，徐亞軍，孫守山.液壓支架三維建模及其運(yùn)動(dòng)仿真[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2003（1）：42-45．

［4］李楚琳，張勝蘭.Hyperworks分析應(yīng)用實(shí)例[M].北京：機(jī)械T業(yè)出版社，2008．

［5］毛昌明.基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的液壓支架研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2006．

Motion and Static Strength of Hydraulic Support Based on 3D Solid Model

HAN Lin1,2，LIU Yinglin1
(1.College of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; (2.Equipment Rental Company,Xishan Coal and Electricity Group,Taiyuan 030053,China)

3D solidmodeling and analysis software Pro/E was used to establish a 3D solidmodel for hydraulic support with standing roof and shield.Themotion trajectory of the support in operation was analyzed.Finally,the structural staticmechanics of themodel was studied by HYPERWORK and some beneficial conclusions for the support optimization were achieved.

hydraulic support;3Dsolidmodel;motion trajectory;finite element analysis

TD355

A

1672-5050（2015）05-0047-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.016

（編輯：薄小玲）

2015-06-18

韓琳（1974-），女，河北行唐人，在讀工程碩士，高級(jí)工程師，從事煤炭生產(chǎn)管理工作。