【摘 要】針對目前液壓支架上側(cè)推機(jī)構(gòu)，提出一種新型結(jié)構(gòu)方式，并針對兩種結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對比分析。應(yīng)用有限元分析軟件對其進(jìn)行有限元分析，并且進(jìn)行二維受力分析，綜合得出結(jié)論。新型結(jié)構(gòu)在液壓支架上應(yīng)用性能較好。

【關(guān)鍵詞】液壓支架 側(cè)推機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì) 有限元

一、問題描述

液壓支架結(jié)構(gòu)有限元分析屬于大型復(fù)雜裝配體的分析，普遍存在于模型導(dǎo)入困難、分析速度慢、結(jié)果穩(wěn)定性差等不足。現(xiàn)采用ANSYS Workbench軟件平臺來完成支架的部件有限元分析的工作。

二、分析思路

（一）液壓支架部件模型簡化和處理，保證模型能夠?qū)雡orkbench中進(jìn)行計(jì)算【1】。

（二）按照《MT 312-2000液壓支架通用技術(shù)要求》，給液壓支架部件模型加上相應(yīng)工況的墊塊。

（三）新型側(cè)推機(jī)構(gòu)為支架頂梁內(nèi)主筋從側(cè)推軸線向蓋板方向貫穿開豁口，為側(cè)推油缸構(gòu)建開放的空間。同時，在被弱化的兩內(nèi)主筋旁重建同類結(jié)構(gòu)，補(bǔ)充被削弱的兩內(nèi)主筋，并在兩側(cè)蓋板下增加10mm厚的蓋板進(jìn)行加強(qiáng)。

三、液壓支架模型處理

對Pro/E各部件模型進(jìn)行簡化得到液壓支架部件三維圖和各項(xiàng)載何數(shù)據(jù)后，應(yīng)首先對模型進(jìn)行簡化，并對液壓支架進(jìn)行干涉檢查。對液壓支架各部件模型進(jìn)行干涉檢查，保證各部件進(jìn)行沒有干涉。 簡化各部件模型，刪除掉包括用于避讓焊縫的倒角、對受力影響可以忽略的倒圓角、對受力影響可以忽略的特征、用于坡口焊的倒角特征、因考慮制造誤差或制造工藝人為引入的匹配間隙、防止漏磚矸而添加的彎板件、擋銷座、彈簧套筒；補(bǔ)充斜蓋板與橫筋之間搭接間隙，避免生成線面接觸或點(diǎn)面接觸。最后得到的部件模型應(yīng)該各板件之間面面接觸、零間隙。圖1、圖2為常規(guī)結(jié)構(gòu)與新型結(jié)構(gòu)對比【2】

圖1常規(guī)型側(cè)推結(jié)構(gòu)頂梁模型

圖2新型側(cè)推結(jié)構(gòu)頂梁模型

各個部件模型處理完成后，導(dǎo)入WORKBENCH驗(yàn)證簡化模型是否成功。

按照上述步聚簡化完模型后，可能會由于操作人員的疏忽而造成模型簡化不徹底。因此需將簡化后的模型導(dǎo)入到workbench中進(jìn)行驗(yàn)證模型是否簡化徹底。進(jìn)入workbench中的geometry環(huán)境，生成NEW PART。進(jìn)入simulation中驗(yàn)證模型是否可行。驗(yàn)證完成后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用四面體與六面體共同分析網(wǎng)格劃分質(zhì)量，標(biāo)準(zhǔn)在于網(wǎng)格劃分均勻分布。具體劃分結(jié)果見圖3。

圖3網(wǎng)格劃分網(wǎng)絡(luò)圖

四、頂梁有限元分析

支架工作阻力4200KN，主體材料q960，屈服強(qiáng)度為960MPa。本節(jié)將根據(jù)《MT 312-2000液壓支架通用技術(shù)要求》的加載要求，頂梁以前扭轉(zhuǎn)為例對其加載。通過計(jì)算軟件，求出部件的最大應(yīng)力及最大位移，驗(yàn)證支架機(jī)械合理性。

首先，將支架模型高度調(diào)整為2270mm（支架最大高度減去支架行程的1/3），將頂梁上端增加如圖所示墊塊。計(jì)算所施加的力的大?。⒅鶈胃鶠?.1x106N）。墊塊處施加固定約束（Fixed Support），未加墊塊的頂梁或底座端加給無摩擦支撐（Frictionless Sapport）。

支架高度調(diào)整為2270mm（支架最大高度減三分之一行程），將頂梁上端增加如圖所示墊塊。計(jì)算所施加的內(nèi)力的大?。⒅鶈胃鶠?.1x106N）。墊塊處施加約束（Fixed Support和Frictionless Sapport）。墊塊具體位置考慮到液壓支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)去除中間應(yīng)力過度集中位置。

五、頂梁分析結(jié)果

應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS workbench進(jìn)行分析。得出以下分析結(jié)果【3】。

頂梁前扭轉(zhuǎn)圖4、圖5：

圖4 常規(guī)型側(cè)推結(jié)構(gòu)頂梁應(yīng)力云圖

圖5新型側(cè)推結(jié)構(gòu)頂梁應(yīng)力云圖

常規(guī)型側(cè)推結(jié)構(gòu)頂梁的側(cè)推機(jī)構(gòu)周圍最大應(yīng)力為637.71MP，出現(xiàn)在蓋板開豁口處，新型側(cè)推結(jié)構(gòu)頂梁的側(cè)推機(jī)構(gòu)周圍最大應(yīng)力為788.83.43MP，出現(xiàn)在蓋板開豁口處，因使用材料為Q960，應(yīng)力在允許范圍內(nèi)。其他的部分均在550MP以下，支架的母材為Q960，許用應(yīng)力為960MP，計(jì)算結(jié)果符合要求。兩種型式的頂梁對比分析知：新型頂梁側(cè)推處應(yīng)力更趨于平均且較小，僅在兩側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中點(diǎn)而且在允許范圍之內(nèi)。進(jìn)行位移分析得出位移云圖6、圖7，頂梁前扭轉(zhuǎn)：

圖6 常規(guī)型側(cè)推結(jié)構(gòu)頂梁位移云圖

圖7新型側(cè)推結(jié)構(gòu)頂梁位移云圖

常規(guī)型側(cè)推結(jié)構(gòu)頂梁最大變形出現(xiàn)在頂梁右側(cè)中部，最大變形為14.675mm：新型側(cè)推結(jié)構(gòu)頂梁最大變形出現(xiàn)在頂梁右側(cè)中部，最大變形為16.981mm，趨勢相同，變形變化不大【4】。

六、安全系數(shù)計(jì)算

表1為安全取值范圍。

梁體危險截面彎矩校核

位置彎矩M（NM）應(yīng)力σ（Mpa）材料屈服極（Mpa）安全系數(shù)

改前頂梁前側(cè)推處3290970695.859601.38

頂梁后側(cè)推處3290970675.159601.42

改后頂梁前側(cè)推處3290970737.319601.3

頂梁后側(cè)推處3290970732.869601.31

表1危險截面彎矩圖

對頂梁側(cè)推處截面進(jìn)行安全系數(shù)計(jì)算，頂梁側(cè)推截面處的彎矩取柱帽處的最大彎矩3290970.36 NM，可見，兩種型式的安全系數(shù)變化不大且均符合安全系數(shù)要求。

七、結(jié)語

通過分析支架的頂梁的應(yīng)力分布，可以快速確定支架在該工況下的高應(yīng)力區(qū)，從而判斷零部件是否處于危險工況。由于邊界條件設(shè)定的原因，最大應(yīng)力出現(xiàn)在支架與墊塊接觸的部位，但該高應(yīng)力區(qū)實(shí)際工況中并不存在，因而可以忽略該局部高應(yīng)力區(qū)。在分析中，發(fā)現(xiàn)一些凸顯的應(yīng)力高危區(qū)域，主要是應(yīng)力集中造成的。因此推薦在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程中，盡量避免形狀的突變。對于在結(jié)構(gòu)上避免不了的區(qū)域，也應(yīng)適當(dāng)添加圓角，減輕應(yīng)力集中的影響。

通過分析，在加載相同邊界條件的條件下，簡化后頂梁的模型側(cè)推機(jī)構(gòu)周圍應(yīng)力分布情況比簡化前頂梁應(yīng)力稍大，但仍在材料許用應(yīng)力范圍內(nèi)，且此種結(jié)構(gòu)變形量也在許用范圍內(nèi)，故頂梁簡化可行。有限元分析和安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果知，新型側(cè)推結(jié)構(gòu)形式可行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳龍， 鄭曉雯， 王仝杰， 李彩琴. 基于SolidEdge的液壓支架頂梁優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J]. 煤礦機(jī)械 ， 2002，（07）

[2]李秋生， 尹冬晨， 崔漢濤， 董潤滋. 無活動側(cè)護(hù)板頂梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J]. 煤礦機(jī)械 ， 2006，（10）

[3] 王進(jìn)軍. 有限元法在支架強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 科技資訊 ， 2007，（26）

作者簡介：薛仁龍（1982-），遼寧丹東人，工程師，畢業(yè)于沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械專業(yè)，從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。