滑移液壓支架中頂梁的三維建模與有限元分析

賈蘇書

（安徽淮海實(shí)業(yè)發(fā)展集團(tuán)有限公司淮北供銷分公司，安徽 淮北 235000）

隨著煤礦的產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，中小型煤礦的發(fā)展在全國(guó)煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展中占有不小的份額。如何提高其產(chǎn)業(yè)安全性成為了其發(fā)展的主要困難所在，為此本文在當(dāng)前滑移液壓支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其更加適合中小型煤礦產(chǎn)業(yè)需求，提高煤礦產(chǎn)業(yè)安全指標(biāo)。該支架相比于傳統(tǒng)綜采液壓支架體積小，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定可靠。通過對(duì)其進(jìn)行三維數(shù)字化建模、有限元分析、進(jìn)而對(duì)其后續(xù)改進(jìn)提供理論基礎(chǔ)與技術(shù)依據(jù)。

由于液壓支架實(shí)物測(cè)試成本高昂，為此本文采用虛擬樣機(jī)技術(shù)模擬技術(shù)對(duì)其各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。按照其測(cè)試要求分為三維模型設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)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(duì)液壓支架外觀及其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行繪制，保證其各項(xiàng)尺寸、形狀與實(shí)物吻合。運(yùn)動(dòng)過程分析在三維繪圖基礎(chǔ)上使其進(jìn)行模擬運(yùn)動(dòng)，通過仿真對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，減小后期數(shù)據(jù)處理壓力。在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行有限元分析，并得出該支架各項(xiàng)性能參數(shù)。

1 滑移液壓支架基本結(jié)構(gòu)

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(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(chǎn)品出現(xiàn)。由于其兼具該兩種支架優(yōu)勢(shì)，使得其具有架設(shè)效率高、支柱穩(wěn)定。通過改進(jìn)其操作方法，大大減少了工作狀態(tài)下其內(nèi)部乳化液的流失。由于其優(yōu)良的性能與適應(yīng)性，使得其被廣泛應(yīng)用于各個(gè)中小型煤礦企業(yè)。

本文所檢測(cè)的滑移液壓支架是一種基于傳統(tǒng)滑移液壓支架改進(jìn)后的新型產(chǎn)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(shí)現(xiàn)了滑移液壓支架的伸縮、支撐、前移等機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)要求。

2 三維建模

針對(duì)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(tǒng)建模軟件。該軟件不僅具有傳統(tǒng)的三維建模功能更融合了CAD/CAE/CAM等設(shè)計(jì)三維建模功能，使其功能更加強(qiáng)大，運(yùn)行更加穩(wěn)定。

CATIA軟件在實(shí)現(xiàn)三維建模的基礎(chǔ)上，可通過真實(shí)化仿真設(shè)計(jì)來驗(yàn)證支架中各個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀況。通過2D圖紙與3D圖紙之間的連接、比對(duì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)計(jì)模型的干涉、間隙等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。在使用中CATIA軟件建模主要分為以下兩個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)。

（1）機(jī)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(xiàng)外形參數(shù)。

（2）通過對(duì)二維草圖進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)等功能實(shí)現(xiàn)零件的各個(gè)部分繪制。利用分層繪制等方法，最終實(shí)現(xiàn)支架中各個(gè)零部件的繪制要求。

液壓支架建模過程中，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零部件多以大塊、整體出現(xiàn)，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(gè)繪制完整的零部件進(jìn)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(shí)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(wǎng)格劃分、數(shù)據(jù)定義三個(gè)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(xiàng)參數(shù)與支架機(jī)構(gòu)測(cè)量參數(shù)并無關(guān)聯(lián)，為節(jié)省無關(guān)計(jì)算量，需對(duì)三維建模進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。將于測(cè)量數(shù)據(jù)無關(guān)的部分刪除，大大縮減機(jī)構(gòu)組成部分，降低后續(xù)系統(tǒng)運(yùn)算量。根據(jù)實(shí)際使用要求本系統(tǒng)選用ABAQUS軟件對(duì)該模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。通過設(shè)定邊界條件與材料參數(shù)等信息對(duì)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)定義。通過后續(xù)對(duì)求解與后處理最終完成對(duì)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(yīng)力分布云圖，由圖中可看出頂梁在兩端承受集中載荷時(shí)所受應(yīng)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(yīng)力集中出現(xiàn)。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(huì)出現(xiàn)因支撐頂梁產(chǎn)生一次性過載而支架損壞的現(xiàn)象。

圖4 滑移液壓支架頂梁應(yīng)力云圖

結(jié)語

從分析結(jié)果中可以看出，按照模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在實(shí)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(huì)因?yàn)轫敳康囊淮涡赃^載而產(chǎn)生支架損壞的現(xiàn)象。并通過該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元分析方法的可為機(jī)械設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。

[1]邢福康，等.煤炭支護(hù)手冊(cè)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社，1993.

[2]艾德生，劉新河.滑移頂梁液壓支架特性及其使用效果分析[J].河北煤炭.1996.

[3]楊振復(fù),羅恩波，等.放頂煤開采技術(shù)與放頂煤液壓支架 [M].北京:煤炭工業(yè)出版社[M].1994.

[4]張勝蘭，鄭冬黎，等.基于 HyperWorks的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[5]何文斌，李菊麗,李立偉.ANSYS在液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 [J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007.

[6]魏磊磊,陸萍，等.液壓支架銷軸聯(lián)接的約束處理[J].礦山機(jī)械,2006.

[7]莊茁，由小川，等.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[8]陳雷平.液壓支架的整機(jī)有限元分析[D].西安:西安理工大學(xué)，2007.