滑移液壓支架中頂梁的三維建模與有限元分析

賈蘇書

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隨著煤礦的產業高速發展，中小型煤礦的發展在全國煤礦產業發展中占有不小的份額。如何提高其產業安全性成為了其發展的主要困難所在，為此本文在當前滑移液壓支架進行優化設計，使其更加適合中小型煤礦產業需求，提高煤礦產業安全指標。該支架相比于傳統綜采液壓支架體積小，機械結構簡單穩定可靠。通過對其進行三維數字化建模、有限元分析、進而對其后續改進提供理論基礎與技術依據。

由于液壓支架實物測試成本高昂，為此本文采用虛擬樣機技術模擬技術對其各項參數進行測試。按照其測試要求分為三維模型設計、運動過程分析、有限元分析三大部分。其中三維建模利用三維繪圖軟件對液壓支架外觀及其機械結構進行繪制，保證其各項尺寸、形狀與實物吻合。運動過程分析在三維繪圖基礎上使其進行模擬運動，通過仿真對模型進行簡化，減小后期數據處理壓力。在此基礎上對其進行有限元分析，并得出該支架各項性能參數。

1 滑移液壓支架基本結構

滑移液壓支架作為礦井液壓支架的一種，最早用來替代單體液壓支柱及鉸接頂梁的使用。其設計結構與綜采液壓支架及單體液壓支柱類似，并作為該兩種支架的中間產品出現。由于其兼具該兩種支架優勢，使得其具有架設效率高、支柱穩定。通過改進其操作方法，大大減少了工作狀態下其內部乳化液的流失。由于其優良的性能與適應性，使得其被廣泛應用于各個中小型煤礦企業。

本文所檢測的滑移液壓支架是一種基于傳統滑移液壓支架改進后的新型產品，該支架主要由推移托梁、雙向外注式液壓支柱等部件組成。通過不同部件的相互配合，最終實現了滑移液壓支架的伸縮、支撐、前移等機械運轉要求。

2 三維建模

針對有限元分析軟件要求，在滑移液壓支架的三維建模過程中，選取CATIA軟件作為系統建模軟件。該軟件不僅具有傳統的三維建模功能更融合了CAD/CAE/CAM等設計三維建模功能，使其功能更加強大，運行更加穩定。

CATIA軟件在實現三維建模的基礎上，可通過真實化仿真設計來驗證支架中各個機構運動狀況。通過2D圖紙與3D圖紙之間的連接、比對，實現了對設計模型的干涉、間隙等參數進行測量。在使用中CATIA軟件建模主要分為以下兩個步驟實現。

（1）機械模型的二維草圖建立，通過平面二維草圖的建立得出模型外輪廓尺寸，及其各項外形參數。

（2）通過對二維草圖進行拉伸、旋轉等功能實現零件的各個部分繪制。利用分層繪制等方法，最終實現支架中各個零部件的繪制要求。

液壓支架建模過程中，由于其結構簡單，零部件多以大塊、整體出現，大大降低了三維建模難度，縮短了三維建模周期。通過零部件的繪制，最終利用三維模型制作將各個繪制完整的零部件進行組裝，最終完成滑移液壓支架的三維建模過程。

圖1 CATIA軟件中三維建模流程

圖2 液壓支架中頂梁的三維實體模型

3 建立有限元模型

目前有限元分析流程按照其功能劃分主要包含前處理、求解、后處理三部分組成，前處理分為三維建模、網格劃分、數據定義三個組成部分。

其中三維建模由CATIA軟件完成，由于三維模型中其各項參數與支架機構測量參數并無關聯，為節省無關計算量，需對三維建模進行簡化處理。將于測量數據無關的部分刪除，大大縮減機構組成部分，降低后續系統運算量。根據實際使用要求本系統選用ABAQUS軟件對該模型進行網格劃分。通過設定邊界條件與材料參數等信息對模型進行數據定義。通過后續對求解與后處理最終完成對滑移支架的有限元分析。圖3為有限元分析流程圖。

圖4為頂梁整體應力分布云圖，由圖中可看出頂梁在兩端承受集中載荷時所受應力分布主要集中于柱窩和與其相連的立筋上，柱窩與滑軌相連接部位有應力集中出現。最大值為170.7MPa，低于材料屈服極限345MPa。由此可得出該支架在工作狀況中不會出現因支撐頂梁產生一次性過載而支架損壞的現象。

圖4 滑移液壓支架頂梁應力云圖

結語

從分析結果中可以看出，按照模擬實驗測試，在實際工作中該頂梁需承受170.7Mpa的承載壓力，低于材料屈服極限345MPa。證明該液壓頂梁在使用中，不會因為頂部的一次性過載而產生支架損壞的現象。并通過該實驗驗證了有限元分析方法的可為機械設計提供一定的理論依據。

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