基于SolidWorks和ANSYS的推移框架設(shè)計(jì)與分析

張?zhí)斐?楊忠東

（卡特彼勒（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450103）

基于SolidWorks和ANSYS的推移框架設(shè)計(jì)與分析

張?zhí)斐?楊忠東

（卡特彼勒（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450103）

推移框架作為液壓支架的組成部分，其結(jié)構(gòu)的可靠性是推溜和移架工作的重要保證。根據(jù)配套條件設(shè)計(jì)了一種推移框架，通過(guò)制圖軟件SolidWorks對(duì)推移框架進(jìn)行三維建模，裝配千斤頂和連接頭組成推移機(jī)構(gòu)。然后在試驗(yàn)工況下對(duì)推移機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，并通過(guò)有限元分析軟件ANSYS對(duì)推移框架的關(guān)鍵部位進(jìn)行強(qiáng)度校核，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。

推移框架；設(shè)計(jì)；分析

液壓支架作為綜采工作面主要設(shè)備之一，其架型結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法正不斷發(fā)展。推移機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)液壓支架動(dòng)作和功能所必需的輔助機(jī)構(gòu)，主要功能是推溜和移架［1］。推移框架是推移機(jī)構(gòu)的主要組成部分，其放置于底座中襠，上下、左右與底座相配合，前端與刮板機(jī)通過(guò)連接頭連接，后端與推移千斤頂連接。推移框架的結(jié)構(gòu)和配合尺寸影響它的使用性能，所以推移框架的設(shè)計(jì)是否合理直接影響液壓支架的整體性能。計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展為設(shè)計(jì)工作提供了便利，運(yùn)用分析軟件可以優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量［2］。

1 設(shè)計(jì)條件

根據(jù)配套尺寸要求，支架中心距為1 500mm，帶有抬底機(jī)構(gòu)。推移步距為630mm，倒裝長(zhǎng)推移框架，推移千斤頂規(guī)格為180/120mm。雙耳連接頭連接刮板機(jī)，連接頭中心高度為120mm，連接銷軸直徑為60mm。根據(jù)工作阻力和立柱規(guī)格模擬得出底座中襠寬度為320mm，推移框架連接長(zhǎng)度為2 900mm。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 結(jié)構(gòu)形式的確定

模擬得出推移框架連接長(zhǎng)度后，由底座中襠寬度得出推移框架寬度為290mm，主筋外側(cè)導(dǎo)向。推移框架的截面高度根據(jù)數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)取為170mm，主筋厚度取為20mm，由于推移千斤頂推拉力較大，主筋選用高強(qiáng)板，且蓋板下設(shè)置中筋。蓋板、底板和中筋作為推移框架箱體結(jié)構(gòu)的組成部分，厚度取為20mm，材質(zhì)也選用高強(qiáng)板。推移千斤頂活塞桿扁厚為80mm，推移框架的配合尺寸取為90mm，耳座厚度取為80mm，同樣選用高強(qiáng)板。其他位置的板材先按略低材質(zhì)選取，后期根據(jù)強(qiáng)度分析及強(qiáng)度校核的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

考慮到推移千斤頂拆裝的問題，耳座上的銷軸孔設(shè)計(jì)為斜孔，選用擋塊結(jié)構(gòu)，銷軸從前向后安裝，與耳座配合的壓塊套料加工，提高材料利用率。由于支架帶有抬底機(jī)構(gòu)，為了方便抬底千斤頂在拉架過(guò)程中移動(dòng)，推移框架的蓋板中部采用緩斜坡上翹結(jié)構(gòu)，蓋板前端與主筋平齊。與連接頭鉸接的銷軸，其固定方式設(shè)計(jì)為半環(huán)加擋銷，拆裝方便，推移框架上焊接半環(huán)。

2.2 具體參數(shù)的確定

推移框架的結(jié)構(gòu)形式確定之后，下一步需要確定具體參數(shù)。到目前為止，材料的選擇基本完成，總長(zhǎng)、寬度、截面高度尺寸基本確定。未確定的參數(shù)有：耳座高度，耳座推移點(diǎn)的位置，包板的開口尺寸及圓弧大小，底板前端的厚度。

耳座高度與底座中襠配合，根據(jù)限位要求確定其高度為400mm?？紤]到銷軸安裝的空間問題，推移點(diǎn)的高度尺寸取為270mm，寬度待定，兩中心圓弧之間留有間隙，增加銷軸的適應(yīng)性。包板的開口尺寸與連接頭的擺動(dòng)角度有關(guān)，為了滿足連接頭的擺動(dòng)范圍，包板的尺寸需要推移機(jī)構(gòu)整體模擬才能確定，為了方便加工，包板的厚度取為20mm。為了滿足連接頭中心高度為120mm的條件，底板前端需墊板，厚度為20mm，材質(zhì)與底板相同。

除上述參數(shù)外，還有支撐筋板的尺寸及位置沒有確定，它們可以根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)合理取值。另外，蓋板后端的斜度，耳座的寬度及銷軸孔的位置與大小需要裝配推移千斤頂模擬確定，包板的參數(shù)需要裝配連接頭模擬確定，這部分工作在三維模型建立后完成。

2.3 三維模型的建立

由于支架主體是焊接結(jié)構(gòu)件，所以SolidWorks軟件滿足支架設(shè)計(jì)要求，而且它在三維建模方面存在明顯優(yōu)勢(shì)［3］。根據(jù)推移框架的已知參數(shù)，可以使用SolidWorks進(jìn)行三維建模。在草圖繪制時(shí)輸入確定參數(shù)，對(duì)于未定參數(shù)，可以預(yù)估數(shù)值輸入，模擬過(guò)程中不斷優(yōu)化數(shù)值。自頂向下新建裝配體之后，通過(guò)增加特征建立零件模型，零件在具體位置生成后，推移框架的三維模型逐步建立起來(lái)，如圖1所示。

圖1 推移框架的三維模型

圖中所示吊環(huán)供安裝、運(yùn)輸和維修時(shí)起吊使用，后部立筋開孔是為了排出堆積在推移框架內(nèi)的矸石。蓋板起折點(diǎn)的位置根據(jù)推移千斤頂?shù)幕顒?dòng)范圍確定。在此基礎(chǔ)上，為了確定其余未定參數(shù)，需要進(jìn)行推移機(jī)構(gòu)的模擬。將推移框架的模型和推移千斤頂、連接頭和其他連接件的模型裝配起來(lái)，建立推移機(jī)構(gòu)的三維模型，如圖2所示。

圖2 推移機(jī)構(gòu)的三維模型

在模擬過(guò)程中，確定了包板的開口尺寸與圓弧半徑，蓋板后端的斜度，蓋板起折點(diǎn)的位置，耳座的寬度，銷軸孔的位置與大小。至此，參數(shù)均已確定，推移框架的設(shè)計(jì)初步完成。

3 強(qiáng)度分析

設(shè)計(jì)初步完成后，需要進(jìn)行強(qiáng)度分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性，如存在強(qiáng)度薄弱點(diǎn)，則需優(yōu)化結(jié)構(gòu)。根據(jù)煤礦液壓支架通用技術(shù)條件［4］，推移機(jī)構(gòu)存在三種試驗(yàn)工況：①推移機(jī)構(gòu)偏載；②推移機(jī)構(gòu)側(cè)向加載；③推移機(jī)構(gòu)垂直加載。因此，需要對(duì)推移機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)工況下的強(qiáng)度分析。

3.1 推移機(jī)構(gòu)偏載

根據(jù)試驗(yàn)工況和試驗(yàn)條件對(duì)推移機(jī)構(gòu)進(jìn)行偏載試驗(yàn)，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 偏載工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表中Δmax為最大應(yīng)力，σs為屈服強(qiáng)度，n為安全系數(shù)。

3.2 推移機(jī)構(gòu)側(cè)向加載

根據(jù)試驗(yàn)工況和試驗(yàn)條件對(duì)推移機(jī)構(gòu)進(jìn)行側(cè)向加載試驗(yàn)，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 側(cè)面加載工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表中M為彎矩。

3.3 推移機(jī)構(gòu)垂直加載

根據(jù)試驗(yàn)工況和試驗(yàn)條件對(duì)推移機(jī)構(gòu)進(jìn)行垂直加載試驗(yàn)，此項(xiàng)試驗(yàn)針對(duì)有抬底機(jī)構(gòu)的液壓支架。抬底千斤頂?shù)耐评?85/212kN，得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 垂直加載工況的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表中參數(shù)的意義與表1、表2相同。

根據(jù)安全系數(shù)的數(shù)值判斷，設(shè)計(jì)的推移機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

4 強(qiáng)度校核

在推移機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求的前提下，還需要對(duì)推移框架的連接關(guān)鍵部位進(jìn)行強(qiáng)度校核，以保證在受到?jīng)_擊載荷時(shí)支架的薄弱環(huán)節(jié)發(fā)揮作用而推移框架不被破壞，因此推移框架前后端和銷軸連接處的強(qiáng)度校核是重要的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作。

前端與連接頭通過(guò)銷軸鉸接，需要計(jì)算推移框架鉸接孔的接觸應(yīng)力。步驟是建立計(jì)算模型，套用赫茲公式，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則判斷安全系數(shù)是否合理。經(jīng)計(jì)算，安全系數(shù)為1.4，滿足強(qiáng)度要求。

圖3 推移框架的應(yīng)力云圖

后端和推移千斤頂通過(guò)銷軸連接，耳座銷軸接觸面的強(qiáng)度校核通過(guò)有限元分析完成。分析過(guò)程中，忽略焊縫與高強(qiáng)板強(qiáng)度差異及焊接變形的影響［5］，簡(jiǎn)化后建立有限元分析模型，通過(guò)ANSYS軟件計(jì)算得出應(yīng)力云圖，如圖3所示。

根據(jù)云圖顯示，耳座的銷軸接觸圓弧處存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，在1.5倍推移千斤頂拉力的加載條件下最大應(yīng)力達(dá)到829MPa，但應(yīng)力集中的區(qū)域較小，并且應(yīng)力沿板厚方向迅速遞減，進(jìn)入安全范圍。根據(jù)有限元分析經(jīng)驗(yàn)判斷，滿足強(qiáng)度要求。

強(qiáng)度校核完成，兩個(gè)關(guān)鍵部位均滿足強(qiáng)度要求，推移框架的設(shè)計(jì)具有可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

在推移框架的設(shè)計(jì)和三維建模完成后，通過(guò)試驗(yàn)工況下的強(qiáng)度分析，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)關(guān)鍵部位的強(qiáng)度校核，提高了設(shè)計(jì)的可靠性，降低了潛在風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)提高推移框架的使用壽命具有重要意義。

［1］王國(guó)法.液壓支架技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

［2］王宇，劉洋，等.基于ANSYS軟件的液壓支架推桿優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2010，31（12）：7-9.

［3］王國(guó)法，許亞軍，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)，2003，31（1）：42-45.

［4］GB25974.1-2010.煤礦用液壓支架第1部分：通用技術(shù)條件［S］.國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布，2011.

［5］田虎楠，王作棠，等.基于ANSYSWorkbench的液壓支架推移桿有限元分析［J］.機(jī)械工程與自動(dòng)化，2013，181（6）：11-12.

Design and Analysisof Advancing Framebased on SolidWorksand ANSYS

Zhang Tiancheng Yang Zhongdong
（Aterpillar（Zhengzhou）Ltd.，Zhengzhou Henan 450103）

As a part of hydraulic roof support，the reliability of advancing frame plays an important role in the work of pushing and pulling support.An advancing frame is designed on the basis ofmatched condition，three-di?mensionalmodel of the frame is built with software SolidWorks，then the frame，joint and cylinderare assembled to constitute advancing mechanism.After that，strength analysis of advancing mechanism is conducted under test conditions.In the end，strength check of its critical parts is carried outwith ANSYSwhich is finite element analy?sis software，and feasibility of the design is verified.

advancing frame；design；analysis

TP242

A

1003-5168（2015）05-0054-3

2015-4-20

張?zhí)斐桑?986-），男，碩士，工程師，研究方向：液壓支架設(shè)計(jì)研發(fā)。