基于三維實體模型的液壓支架運動與靜強度研究

韓琳，劉英林

（1.太原理工大學機械工程學院，太原 030024；2.西山煤電（集團）有限責任公司設備租賃分公司，太原 030053）

基于三維實體模型的液壓支架運動與靜強度研究

韓琳1,2，劉英林1

（1.太原理工大學機械工程學院，太原 030024；2.西山煤電（集團）有限責任公司設備租賃分公司，太原 030053）

通過綜合運用三維實體建模與分析軟件Pro/E，建立了支頂支掩式液壓支架的實體三維模型，并對該液壓支架在工作過程中的運動軌跡進行了分析，對該模型的結構靜力學通過HYPERWORK進行了分析，得出一些對于該液壓支架優化設計的有益的結論。

液壓支架；三維實體模型；運動軌跡；有限元分析

液壓支架是礦井用來控制綜合機械化采煤工作面礦山壓力的關鍵設備，因此研制出的液壓支架能否滿足現場地質條件要求以及其本身所具有的工作性能可靠性，是礦井能否實現安全高效生產的關鍵一環。通過綜合運用三維實體建模與分析軟件Pro/E，本文建立了支頂支掩式液壓支架的實體三維模型，并對該液壓支架在工作過程中的運動軌跡進行了仿真，最后對該模型的結構靜力學通過HYPERWORK進行了分析[1-5]。

1 支頂支掩式液壓支架的三維模型

通過建立支頂支掩式液壓支架的實體三維模型，不僅使其具有直觀性，而且在更大的程度上能夠實現對其零件的修改、調整以及裝配，并在此基礎上對其運動分析和靜力分析將會更為準確。

本文通過Pro/E軟件的功能模塊對其零件建立三維實體模型，并在其零件裝配過程中，施加完全約束裝配于支架的頂梁、底座、掩護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 運動分析

1）液壓支架模型的干涉檢查。通過Pro/E的Mechanism模塊對所建立的支頂支掩式液壓支架的實體三維模型進行運動分析。液壓支架實際工作中的升、降、推、移等過程則是通過設置驅動來實現的，而液壓支架支護工作的機械化則是通過液控系統驅動液壓支架與其附屬裝置來實現的，而這兩個部分之間的驅動又是通過伺服電動機驅動兩者之間的連接軸處來實現的。

液壓支架的運動分析是通過Pro/E軟件中的分析測量模塊來實現的，并選用全局干涉對其回放結果進行動態干涉檢查。如若干涉區變亮，則說明干涉區中出現干涉，以此分析研究干涉區中出現干涉的原因并在此基礎上對出現干涉的零件進行修改和編輯，而后對其重新進行干涉檢查。

2）液壓支架模型運動軌跡分析見圖1。圖l為液壓支架模型運動軌跡示意圖。

為了便于計算，定義圖中各個點的坐標分別為：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系為基礎建立方程聯立求得T點的運動方程為：

運用上述公式得到A、B兩點不同位置相應的坐標值，并對坐標值通過Excel表格處理得到液壓支架頂梁的運動軌跡，見圖2。

由圖2得出：液壓支架頂梁在1.5m～2.5m的工作高度范圍內將發生-20mm～0.8m的向后運動，也就是支架頂梁的梁端距在0～12mm的范圍內變化。根據對支架運動軌跡的分析結果可以得出，該液壓支架的結構是合理的。

3 有限元分析

1）有限元分析是通過Pro/E軟件的接口設置將其所建立的液壓支架三維實體模型集成到HYPERWORKS中對不同載荷下液壓支架頂梁應力變形等情況進行分析得出的。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生的支撐力。圖4和圖5分別為對液壓支架頂梁在圖3的載荷作用下經過有限元分析所得到的應力云圖和變形圖。

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在柱窩部位會出現應力集中的現象。此時液壓支架頂梁所受到的最大應力為199MPa，最大變形出現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度大約為3m，因此能夠滿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。對這種載荷狀態下的頂梁進行有限元分析。圖7和圖8分別為對液壓支架頂梁在圖6的載荷作用下經過有限元分析所得到的應力云圖和變形圖。

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在頂梁靠近柱窩的部位出現最大應力，其最大值為328MPa，最大變形出現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。對這種載荷狀態下的頂梁進行有限元分析。圖10和圖11分別為對液壓支架頂梁在圖9的載荷作用下經過有限元分析所得到的應力云圖和變形圖。

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在頂梁靠近柱窩的部位出現最大應力，其最大值為359 MPa，最大變形出現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。對這種載荷狀態下的頂梁進行有限元分析。圖13和圖14分別為對液壓支架頂梁在圖12的載荷作用下經過有限元分析所得到的應力云圖和變形圖。

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在頂梁靠近柱窩的部位出現最大應力，其最大值為596 MPa，最大變形出現在液壓支架頂端部位，其最大值為19.96mm。

4 結束語

對比四種載荷情況下的有限元分析結果可以得出，液壓支架頂梁在靠近柱窩附的部位出現應力值比較高的應力集中現象，其應力最大值可達596 MPa；最大變形出現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力時的應力分布比較合理，最大應力為359 MPa，最大變形量為4.3mm。

綜上所述，有比較大的擠壓應力和彎曲應力作用在液壓支架的前排立柱與柱窩的載荷作用點或作用面上。由此在支頂支掩式液壓支架的設計中，應該將具有足夠強度的材料應用于該結構處以滿足液壓支架正常工作的要求。

［1］魏陽，王書義.基于Pro/E的機械系統運動仿真分析[J].現代機械，2001（5）：55-56．

［2］劉真祥.液壓支架模擬測試系統模型[J].貴州大學學報（自然科學版），1999（4）：288-29l.

［3］王國法，徐亞軍，孫守山.液壓支架三維建模及其運動仿真[J].煤炭科學技術，2003（1）：42-45．

［4］李楚琳，張勝蘭.Hyperworks分析應用實例[M].北京：機械T業出版社，2008．

［5］毛昌明.基于現代設計方法的液壓支架研究[D].太原：太原理工大學，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，高級工程師，從事煤炭生產管理工作。