基于SolidWorks的液壓支架推桿有限元分析及優化設計

史根軍

摘 要：利用SolidWorks軟件平臺進行推桿的三維建模，然后根據支架在井底的受力情況，利用SimulationXpress分析向導對液壓支架推桿模型進行有限元分析，根據所得分析結果對推桿結構及材料進行優化設計，為以后的設計加工應用提供了有效的參考。

關鍵詞：液壓支架 推桿 有限元 優化設計

中圖分類號：TD355 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0053-02

液壓支架在完成推溜和移架兩個基本動作時，其主要受力部件為推桿和連接頭及其附件，這就要求推桿必須有足夠的強度和剛度。推桿受突變載荷的主要是由于在“三軟”煤層工作面頂板、煤層及底板的不同結構特點造成的。例如，刮板輸送機下陷大部分原因是由于煤層底板松軟，而刮板輸送機下陷后就不可避免地給推桿增加了一個載荷；再如，液壓支架被壓死主要是由于支架通過煤層頂板破損嚴重的地方時，頂板掉落后壓住液壓支架造成的，這種情況下也給推桿施加了一個載荷。

1 推桿的受力情況

當液壓支架在爬坡和下坡，即仰采和俯采時，由于煤層地質狀態存在一定的變化，就相當于給推桿施加了一個很大的外部載荷，這些外部載荷除推溜和拉架力外，其他受力就存在一定的不確定性和不可預見性。另外結構型式為長框架的推移桿比較長，并且在底座中檔處于浮動狀態，距離底座中檔兩側主筋單邊間隙只有10 mm。當煤層傾角達到一定程度時，推桿受刮板輸送機作用的下滑力增大。這時推桿很容易與刮板輸送機產生相對錯位，即刮板輸送機在下滑時與底座前端發生碰撞，致使推桿側面受力變形，嚴重時可造成推桿損壞。

由上面的分析我們可以看出作用在推桿上的載荷是存在一定變量，正是由于這些變量和推桿結構設計造成推桿在工作時發生損壞。而推桿的損壞在一定程度上會造成出煤量的下降，所以我們必須在支架設計時充分分析研究推桿受力和結構特點。

通過走訪用戶實際勘察后，我們簡化了推桿的載荷，其在工作時主要受力載荷有以下3種。

（1）推桿受推移千斤頂的拉力和推力。

（2）抬底千斤頂的抬底壓力。

（3）刮板輸送機下滑引起的側向力。

由于液壓支架采煤時大多數時間以靜力狀態工作，所以可以將固定端設置為推桿通過連接頭與刮板輸送機一端相連處；推桿的另一端只受推溜和移架時推移千斤頂的推力和拉力。

2 建立有限元分析模型

如圖1為ZYT12000/28/63D支架推桿的前期二維結構模型，由圖1可看出，此推桿結構形式為寬為200 mm、高為185 mm的整體長推桿箱體結構。推桿底板、蓋板、兩側主筋所用材質均為Q890高強度鋼板，其余采用強度較低一級的高強板，通過拼裝焊接而成的箱體結構。

為進行有限元分析我們將推桿進行三維建模，圖2為推桿三維模型。

3 推桿的受力分析

將以上模型導入到SolidWorks Simulation中，根據液壓支架推桿的實際受力情況，采用不同的約束力和載荷進行有限元分析。

該文從4種情況分析推桿在加載1.5倍許用載荷時的受力情況。其受力分析情況如下。

（1）情況1：推桿僅受到推移千斤頂推力作用（見圖3）。

（2）情況2：推桿僅受到抬底千斤頂推力作用（見圖4）。

（3）情況3：推桿僅受到側向力作用（見圖5）。

（4）情況4：同時受這3種力（見圖6）。

由圖6可見，同時加載上述3種載荷時推桿的彎曲應力最大時達到1 468 MPa。

4 結論

在設計ZYT12000/28/63D支架推桿時，其結構形式采用高強度鋼板焊接而成的箱體結構，其可靠性取決于以下幾方面。

（1）合理設計推桿結構。

（2）推桿梁體截面的強度校核計算。

（3）實際受力分析。

（4）合理設計焊縫。

（5）優化應力集中。

為提高推桿結構的可靠性，并根據上述對推桿的應力分析結果，采取以下幾種措施。

（1）減小豎銷與推桿鉸接孔的配合間隙。

（2）為改善推桿的整體性能，對推桿框架結構型式進行優化設計。

（3）為加強推桿的整體性能，優化了推桿與連接頭鉸接部位結構，并加強了相應鉸接部位設計的合理性。

（4）為減小推桿主要焊接及鉸接部位的應力集中，合理優化部件材質、焊縫結構及大小。

（5）推桿與連接頭鉸接部件材質選用Q890高強度材料。

參考文獻

[1] 楊楨.液壓支架推移框架的靜力學數值模擬分析[D].西安科技大學，2005.

[2] 楊輝.液壓支架推移框架破壞原因的數值模擬分析[J].中小企業管理與科技（上旬刊），2014（11）：119-120.

[3] 孫紅發，于德潤，劉富營，等.ZY10800/28/63型液壓支架推移桿可靠性分析與研究[J].煤礦機械，2008，29（6）：45-47.