基于UG 的液壓支架掩護梁有限元分析

李翠勤，劉混舉

（太原理工大學 機械工程學院，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)，防止矸石進入回采工作面和推進輸送機。掩護梁前端和頂梁鉸接，后端與前、后連桿鉸接，并通過前、后連桿和底座構成液壓支架中不可缺少的四連桿機構。該機構使液壓支架在做上下運動時，掩護梁與頂梁鉸接中心點的運動軌跡形成一個近似直線的雙扭線，從而使液壓支架具有一個合理、穩(wěn)定的運動。本文對液壓支架掩護梁進行了有限元分析，得到了掩護梁的應力和位移分布。

1 液壓支架基本結構及受力分析

1.1 掩護式液壓支架的基本結構

圖1為掩護式液壓支架的基本結構。

圖1 掩護式液壓支架的基本結構

1.2 液壓支架簡單平面受力分析

對支架結構受力進行平面力學分析，首先作如下假定：①將支架空間結構簡化為平面桿系，并將箱形結構看作梁的結構件；②將頂梁、掩護梁及底座的載荷看作某種線性分布的載荷，而這種載荷是由計算出的集中載荷經(jīng)換算而得到的；③支架各構件的受力情況是以支架處于最大高度時最為惡劣的工況作為計算基礎，同時按不同的支架高度分級，取各部件的最大載荷對其進行強度計算；④進行強度計算時取頂梁與頂板在相對滑移時的摩擦系數(shù)f 為0.3。

支架受力簡圖如圖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 角順時針取“＋”，逆時針取“－”。

取頂梁和掩護梁為隔離體，各力對O1點（四連桿運動瞬心）取力矩平衡方程為：

水平和垂直坐標軸的力平衡方程分別為：

取頂梁為隔離體，各力對O 點取力矩平衡方程為：

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，掩護梁前、后連桿鉸接孔處受力情況見表1。

表1 掩護梁前、后鉸接孔處受力情況

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

圖3 液壓支架掩護梁鉸接孔處受力曲線

對圖3進行分析得知，隨著支架高度的降低掩護梁鉸接孔處受力（絕對值）總體處于下降趨勢，當液壓支架處于最高位置時掩護梁鉸接孔處受力最大。考慮到以上分析結果，本文對液壓支架高度為3 500mm 時掩護梁的受力情況進行有限元分析。

2 掩護梁實體模型的建立

液壓支架掩護梁的實際結構相當復雜，通過UG建模時，在保證液壓支架部件軸心的距離、相對位置和主要零部件尺寸不變的前提下，進行以下簡化處理：①簡化起加強作用的筋板；②省略為滿足工藝要求而設置的圓角和孔；③省略側護板；④省略或簡化焊縫、螺紋以及管線等細節(jié)部分。

簡化以后，結構原受載荷的能力保持不變，不會對整架主要結構件的受力狀況產(chǎn)生影響，且可使有限元分析計算的CPU 時間適中，不耗費過多的時間。

本文通過簡化處理，將掩護梁分為13個“組件”進行裝配，完成后的掩護梁實體模型如圖4所示。

圖4 掩護梁實體模型

3 掩護梁的有限元分析

3.1 建立有限元分析模型

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

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

3.2 定義仿真模型中的邊界約束和載荷條件

（1）設置約束邊界條件：約束掩護梁和頂梁鉸接處三個方向的平面移動自由度。

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

圖5 掩護梁有限元分析模型

3.3 求解及其解算參數(shù)的設置

（1）編輯解算方案：勾選［迭代求解器］復選框，將其激活；單擊［工況控制］選項卡，單擊［Output Requests］右側的創(chuàng)建模型對象圖標，彈出［結構輸出請求］對話框，激活［啟用應變］選項。

（2）求解：單擊［求解］命令，點［確定］開始求解，完成后雙擊［Result］，進入后處理界面。所得掩護梁應力云圖如圖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，掩護梁應力值分布在0 MPa～466.04MPa范圍內(nèi)。頂梁和掩護梁鉸接孔以及掩護梁和前、后連桿鉸接孔等處所受應力較大，其中最大應力發(fā)生在掩護梁和頂梁鉸接孔處，其值為466.04MPa，掩護梁梁體應力較小，局部有應力集中現(xiàn)象。

圖6 掩護梁應力云圖

參考德國DBT 公司結構相近的Wsl.7型液壓支架實測數(shù)據(jù)（測點分布如圖6所示），繪制的應力分布擬合曲線如圖7所示。由圖7可以看出，仿真和實測的受力分布曲線相似，說明仿真與實際具有較好的一致性。由于分析時對掩護梁選取同一種材料以及對掩護梁模型的簡化處理，所以分析結果與實際結果有一定的偏差。

4 結論

本文進行了液壓支架掩護梁的受力分析，利用UG 建立了掩護梁的三維模型及有限元力學模型。通過UG 自帶的高級仿真軟件，得到了掩護梁的應力和位移分布。計算結果可用于修正設計，提高掩護梁結構的可靠性，為液壓支架部件的結構優(yōu)化奠定了基礎。

圖7 仿真與實測數(shù)據(jù)對比圖

［1］ 樊軍，錢玉軍，徐祖輝.兩柱掩護式液壓支架受力分析及結構件強度校核［J］.煤礦機電，2008（2）：111－112.

［2］ 秦東晨，姚向豫，武紅霞，等.基于Pro／E和ANSYS的液壓支架掩護梁有限元分析［J］.煤礦機械，2011，32（3）：94－96.

［3］ 薛仁龍，魏成剛，柳佳岐，等.ZY17000／32／70型液壓支架強度有限元分析［J］.礦山機械，2011，39（12）：11－13.