李翠勤，劉混舉

（太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

液壓支架能夠可靠而有效地支撐和控制工作面的頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石進(jìn)入回采工作面和推進(jìn)輸送機(jī)。掩護(hù)梁前端和頂梁鉸接，后端與前、后連桿鉸接，并通過前、后連桿和底座構(gòu)成液壓支架中不可缺少的四連桿機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)使液壓支架在做上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，掩護(hù)梁與頂梁鉸接中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡形成一個(gè)近似直線的雙扭線，從而使液壓支架具有一個(gè)合理、穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。本文對(duì)液壓支架掩護(hù)梁進(jìn)行了有限元分析，得到了掩護(hù)梁的應(yīng)力和位移分布。

1 液壓支架基本結(jié)構(gòu)及受力分析

1.1 掩護(hù)式液壓支架的基本結(jié)構(gòu)

圖1為掩護(hù)式液壓支架的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 掩護(hù)式液壓支架的基本結(jié)構(gòu)

1.2 液壓支架簡(jiǎn)單平面受力分析

對(duì)支架結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行平面力學(xué)分析，首先作如下假定：①將支架空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為平面桿系，并將箱形結(jié)構(gòu)看作梁的結(jié)構(gòu)件；②將頂梁、掩護(hù)梁及底座的載荷看作某種線性分布的載荷，而這種載荷是由計(jì)算出的集中載荷經(jīng)換算而得到的；③支架各構(gòu)件的受力情況是以支架處于最大高度時(shí)最為惡劣的工況作為計(jì)算基礎(chǔ)，同時(shí)按不同的支架高度分級(jí)，取各部件的最大載荷對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算；④進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)取頂梁與頂板在相對(duì)滑移時(shí)的摩擦系數(shù)f 為0.3。

支架受力簡(jiǎn)圖如圖2所示。圖2中，Q 為垂直支撐合力；P 為立柱總工作阻力；PE為平衡千斤頂總作用力，推力取“＋”，拉力取“－”；Φ 角順時(shí)針取“＋”，逆時(shí)針取“－”。

取頂梁和掩護(hù)梁為隔離體，各力對(duì)O1點(diǎn)（四連桿運(yùn)動(dòng)瞬心）取力矩平衡方程為：

水平和垂直坐標(biāo)軸的力平衡方程分別為：

取頂梁為隔離體，各力對(duì)O 點(diǎn)取力矩平衡方程為：

由式（1）、式（2）、式（3）、式（4）可求出垂直支撐合力：

合力作用點(diǎn)為：

前連桿受力為：

后連桿受力為：

圖2 支架平面受力示意圖

參照ZY8800／17／35D 已知參數(shù)，平衡千斤頂受壓力為1 450kN 時(shí)，掩護(hù)梁前、后連桿鉸接孔處受力情況見表1。

表1 掩護(hù)梁前、后鉸接孔處受力情況

參考表1所示不同支架高度時(shí)液壓支架前、后連桿處受力，繪制出液壓支架掩護(hù)梁與前、后連桿鉸接點(diǎn)處的受力曲線，如圖3所示。

圖3 液壓支架掩護(hù)梁鉸接孔處受力曲線

對(duì)圖3進(jìn)行分析得知，隨著支架高度的降低掩護(hù)梁鉸接孔處受力（絕對(duì)值）總體處于下降趨勢(shì)，當(dāng)液壓支架處于最高位置時(shí)掩護(hù)梁鉸接孔處受力最大?？紤]到以上分析結(jié)果，本文對(duì)液壓支架高度為3 500mm 時(shí)掩護(hù)梁的受力情況進(jìn)行有限元分析。

2 掩護(hù)梁實(shí)體模型的建立

液壓支架掩護(hù)梁的實(shí)際結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，通過UG建模時(shí)，在保證液壓支架部件軸心的距離、相對(duì)位置和主要零部件尺寸不變的前提下，進(jìn)行以下簡(jiǎn)化處理：①簡(jiǎn)化起加強(qiáng)作用的筋板；②省略為滿足工藝要求而設(shè)置的圓角和孔；③省略側(cè)護(hù)板；④省略或簡(jiǎn)化焊縫、螺紋以及管線等細(xì)節(jié)部分。

簡(jiǎn)化以后，結(jié)構(gòu)原受載荷的能力保持不變，不會(huì)對(duì)整架主要結(jié)構(gòu)件的受力狀況產(chǎn)生影響，且可使有限元分析計(jì)算的CPU 時(shí)間適中，不耗費(fèi)過多的時(shí)間。

本文通過簡(jiǎn)化處理，將掩護(hù)梁分為13個(gè)“組件”進(jìn)行裝配，完成后的掩護(hù)梁實(shí)體模型如圖4所示。

圖4 掩護(hù)梁實(shí)體模型

3 掩護(hù)梁的有限元分析

3.1 建立有限元分析模型

（1）定義材料屬性：掩護(hù)梁材料為Q550，其屈服強(qiáng)度σs≥550 MPa，極限抗拉強(qiáng)度σb≥670 MPa。

（2）定義單元屬性劃分網(wǎng)格：本文選擇實(shí)體單元類型對(duì)掩護(hù)梁進(jìn)行網(wǎng)格劃分，能夠很好地模擬外載荷作用下的掩護(hù)梁。

3.2 定義仿真模型中的邊界約束和載荷條件

（1）設(shè)置約束邊界條件：約束掩護(hù)梁和頂梁鉸接處三個(gè)方向的平面移動(dòng)自由度。

（2）施加載荷：根據(jù)受力分析結(jié)果，通過內(nèi)加載的方式確定受力節(jié)點(diǎn)和受力面；根據(jù)鉸接處受力情況以及前面的計(jì)算將力加載在鉸接孔線狀分布的節(jié)點(diǎn)上。掩護(hù)梁的有限元分析模型如圖5所示。

圖5 掩護(hù)梁有限元分析模型

3.3 求解及其解算參數(shù)的設(shè)置

（1）編輯解算方案：勾選［迭代求解器］復(fù)選框，將其激活；單擊［工況控制］選項(xiàng)卡，單擊［Output Requests］右側(cè)的創(chuàng)建模型對(duì)象圖標(biāo)，彈出［結(jié)構(gòu)輸出請(qǐng)求］對(duì)話框，激活［啟用應(yīng)變］選項(xiàng)。

（2）求解：?jiǎn)螕簦矍蠼猓菝?，點(diǎn)［確定］開始求解，完成后雙擊［Result］，進(jìn)入后處理界面。所得掩護(hù)梁應(yīng)力云圖如圖6所示。

由圖6可以看出，液壓支架高度為3 500mm、額定載荷工況下時(shí)，掩護(hù)梁應(yīng)力值分布在0 MPa～466.04MPa范圍內(nèi)。頂梁和掩護(hù)梁鉸接孔以及掩護(hù)梁和前、后連桿鉸接孔等處所受應(yīng)力較大，其中最大應(yīng)力發(fā)生在掩護(hù)梁和頂梁鉸接孔處，其值為466.04MPa，掩護(hù)梁梁體應(yīng)力較小，局部有應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖6 掩護(hù)梁應(yīng)力云圖

參考德國(guó)DBT 公司結(jié)構(gòu)相近的Wsl.7型液壓支架實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（測(cè)點(diǎn)分布如圖6所示），繪制的應(yīng)力分布擬合曲線如圖7所示。由圖7可以看出，仿真和實(shí)測(cè)的受力分布曲線相似，說明仿真與實(shí)際具有較好的一致性。由于分析時(shí)對(duì)掩護(hù)梁選取同一種材料以及對(duì)掩護(hù)梁模型的簡(jiǎn)化處理，所以分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定的偏差。

4 結(jié)論

本文進(jìn)行了液壓支架掩護(hù)梁的受力分析，利用UG 建立了掩護(hù)梁的三維模型及有限元力學(xué)模型。通過UG 自帶的高級(jí)仿真軟件，得到了掩護(hù)梁的應(yīng)力和位移分布。計(jì)算結(jié)果可用于修正設(shè)計(jì)，提高掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的可靠性，為液壓支架部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

圖7 仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比圖

［1］ 樊軍，錢玉軍，徐祖輝.兩柱掩護(hù)式液壓支架受力分析及結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度校核［J］.煤礦機(jī)電，2008（2）：111－112.

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