基于有限元分析的煤礦滑移支架快速安裝裝置設計*

陳 競

(河南工業和信息化職業學院，河南焦作 454000)

0 引言

滑移液壓支架是介于單體液壓支柱和綜采用液壓支架之間的架型［1］，是煤礦生產的常用設備滑移液壓支架大多數采用人工安裝，費時費力，既嚴重影響工作面生產，又容易出現安全事故。所以，研制一種滑移支架安裝裝置是非常必要的。

1 滑移支架安裝裝置國內外研究現狀

王志強等［2］對小型履帶式搬運車進行了研究，它的工作裝置是一種由約束雙平行四桿機構構成的裝置，該工作裝置可保證裝卸過程中貨物始終保持平動，使工作安全可靠。該工作裝置由兩個平行四桿機構串聯組成，利用導軌約束其運動軌跡，機構受力復雜。采用靜力學方法，對工作裝置進行了受力分析，建立主臂液壓缸和舉升臂液壓缸力學方程，基于MATLAB編程分別對自裝卸過程的主臂液壓缸和舉升過程的舉升臂液壓缸的力學性能進行了仿真分析。

馬斌強等［3］對平行四連桿液壓舉升機構進行了仿真設計研究。建立了平行四連桿液壓舉升機構的仿真分析模型，以液壓油缸的4個安裝支點位置為設計變量，以液壓油缸的最大舉升力為目標函數，應用ADAMS軟件對液壓舉升機構進行仿真設計，得到液壓油缸的活塞桿支點和油缸支點位于各不同位置時，液壓油缸的最大舉升力的變化規律。液壓油缸的最大舉升力隨著活塞桿支點與油缸支點水平間距的增大而增大。當活塞桿支點與油缸支點水平間距一定時，液壓油缸的行程與油缸支點的位置有關，油缸支點與下連桿支點水平間距越大，油缸的行程越大。

申文清［4］對裝載機的工作裝置進行了虛擬優化設計及有限元分析研究。運用平面解析方法建立反轉六連桿機構的數學模型，結合優化理論確定了含有14個設計變量的優化目標，使用MAITLAB軟件編寫了優化算法程序對各參數進行優化求解，得出優化結論。使用多剛體仿真軟件ADAMS建立了工作裝置的空間模型，并進行了運動學和動力學仿真分析，同時運用軟件中的“設計研究”、“試驗設計”和“優化分析”功能，分析各參數對系統運動學和動力學性能的影響，得出優化結果。并和上述優化結論進行了對比驗證。

2 滑移支架的整體結構設計

滑移支架快速安裝裝置的總體方案設計如下:

(1)快速安裝裝置的移動平臺:快速安裝裝置的移動平臺采用礦用平板車，軌道式移動，軌距600 mm。

(2)支架頂梁舉升機構:舉升裝置固定安裝有移動平臺上，采用2自由度的工作結構，由托臂液壓缸實現對支架頂梁的提升，由平衡液壓缸實現對支架頂梁姿態調整。

(3)支架頂梁位置調整機構:插爪插入位于運輸平板車上的滑移支架頂梁下部，將頂梁托起之后，如果頂梁出現扭偏現象，通過在工作裝置的插爪處安裝可伸縮的推進板可以對頂梁的扭偏進行矯正。

(4)快速安裝裝置的移動:當一個滑移支架安裝完成后，裝置應能夠自行移動至下一個支架安裝位置。為了適應工作面空間狹窄的特點，決定采用液壓缸驅動的方式。即在移動平臺后部設置行走油缸。行走油缸的行程即移動平臺的推進距離。行走油缸的一端鉸接于移動平臺的后部，另一端鉸接于可移動推進座上。可移動推進座通過螺栓鎖緊在軌道上。行走油缸的推進距離應等于滑移支架頂梁的寬度。

(5)快速安裝裝置定位支撐機構:當快速安裝裝置移動至支架安裝位置后，定位支撐機構用于將裝置穩固的支撐鎖緊，以保證整機可靠定位，支撐鎖緊力用于平衡支架頂梁自重。本設計采用支頂油缸作為定位支撐機構，支頂油缸底部鉸接于移動平臺上。快速安裝裝置移動至支架安裝位置后，支頂油缸伸出支撐于工作面頂板。整個工作裝置在行走油缸和支頂油缸的作用下，可實現裝置的可靠定位和支撐鎖緊。

(6)配重:快速安裝裝置的工作裝置伸出于移動平臺前端，整體重心位于移動平臺前輪外部。為了實現裝置整體自身平衡，應在移動平臺后部設置配重，以保證快速安裝裝置的重心位于平板車前輪和后輪之間。該設計的整體結構設計如圖1所示。

圖1 快速安裝裝置總體設計方案圖

3 滑移支架快速安裝裝置功能和優點

(1)工作裝置的插爪能夠插入放置于平板車上的滑移頂梁底部，可以快速、安全地將頂梁托舉提升至工作面頂板。托舉提升過程中，滑移頂梁基本是垂直運動，且始終保持水平或近水平狀態。滑移頂梁接觸工作面頂板后，能調整頂梁在插爪上的位置，保證架與架頂梁之間的間隙均勻。然后保持穩定地托舉狀態，直至完成支架安裝。

(2)裝置操作簡單、方便，1人即可完成托舉提升滑移頂梁的全部操作。

(3)裝置采用輪軌方式行走，以平板車為機架，能夠沿工作面長度方向自行移動，便于完成整個工作面支架的安裝。

(4)裝置到達滑移支架安裝位置后，能夠自行鎖定位置，并在支架安裝過程中保持自身及支架的穩定。

(5)工作裝置由桿傳動機構組成，為反轉六桿機構，平衡液壓缸布置在動臂上面。該機構具有以下優點:①插爪插入到頂梁下面時，平衡液壓缸大腔進油，并且連桿機構的傳力比可以設計成較大值，故可獲得較大的托舉力;②當連桿機構各構件的尺寸設計合理時，不僅可以得到良好的插爪平移性能，而且可以實現插爪的自動放平;③整體結構尺寸緊湊，適應采煤工作面狹小空間。

(6)采用液壓傳動(液壓缸驅動)驅動，結構簡單，操作方便，工作可靠性高，易于維護保養。使用滑移支架的動力源［5］——乳化液泵站，制造成本低。

4 快速安裝裝置的有限元分析

4.1 插爪的有限元分析

4.1.1 有限元建模

快速安裝裝置的插爪在最高點時各鉸接點受力最大，故只需對該位置時的插爪進行有限元分析即可。在進行有限元分析時，考慮插爪重力影響。

單元劃分:采用Solid185單元

插爪約束條件如下:

滑移支架頂梁載荷:QH=20 000 N，簡化為兩個集中力作用在插爪兩個插腳上距B點784 mm處，每個插腳上作用10 000 N。

插爪上的2個B點關于縱向中心線對稱，每個B點鉸接孔的半個孔壁施加X、Y向約束，受約束的半個孔的角平分線沿著θ2=67°角平分線方向。

C點處的鉸接點施加約束的方式與B點相同，在鉸接孔的半個孔壁施加X、Y向約束，受約束的半個孔的角平分線沿著θ1=27°的角平分線方向。

材料參數:密度:7 800 kg/m3;彈性模量:2×1011Pa;泊松比:0.24。

4.1.2 仿真結果及分析

由圖2可看出，插爪最大應力157.4 MPa，最大應力點在鉸接孔C處。故選用Q235可滿足強度要求。由圖3可知，插爪最大變形為4.8 mm。

4.2 連桿的有限元分析

插爪在最高點時，連桿受力最大，且為拉力。連桿兩端受力為105 234 N，方向沿著連桿軸線方向。

約束條件:在連桿一側鉸接孔施加分布力，作用于孔受拉一側的內壁。連桿的另一側孔，在受拉一側的孔壁施加X、Y方向的固定約束。

圖4為連桿應力云圖，圖5為連桿位移云圖。可以看出，連桿最大應力140 MPa，最大變形0.12 mm。故選用Q235可滿足強度要求。

圖3 插爪位移云圖

圖2 插爪應力云圖

圖4 連桿應力云圖

圖5 連桿位移云圖

4.3 搖臂的有限元分析

插爪在最高點時，搖臂受力最大。由第3章可知，鉸接點E的受力為FE=172 412 N，鉸接點F受力為FF=74 350 N，鉸接點D的受力為FD=105 234 N。仿真時，在鉸接孔E施加固定約束，鉸接點D和F的孔壁施加分布力，分布力的合力方向和大小分別為FD和FF。圖6為搖臂應力云圖，圖7為搖臂位移云圖。

圖6 搖臂應力云圖

圖7 搖臂位移云圖

可看出，搖臂最大應力191.4 MPa，最大應力點位于鉸接孔E處。最大變形1.55 mm。故選用Q235可滿足強度要求。

4.4 托臂的有限元分析

插爪在最高點時，托臂受力最大。托臂有4個鉸接點，即A、B、H和E。在進行托臂靜力學分析時，將鉸接點A和H作為約束，鉸接點B、E的受力作為載荷來考慮。由以上可知，FE=172 412 N，FB2左右=61 695 N。各鉸接點的約束和作用力施加方式與前述相同。圖8、9分別為托臂的應力云圖和位移云圖。可以看出，托臂的最大應力248.034 MPa，最大應力點位于橫梁與左、右托臂的連接處。最大變形為1.126 mm。故托臂材料選用Q345。

圖8 托臂的應力云圖

圖9 托臂的位移云圖

［1］ 曹小榮，趙書明.液壓支架快速移架系統的研究［J］.煤礦機械，2010，31(2):130 －132.

［2］ 王志強，卞學良，卞春艷，等.小型履帶式搬運車工作裝置受力分析［J］.工程機械，2014，45(7):30 －35.

［3］ 馬斌強，頓文濤，郭 潔.基于ADAMS的平行四連桿液壓舉升機構的仿真設計［J］.河南農業大學學報，2012，46(6):664－667.

［4］ 申文清.裝載機工作裝置的虛擬優化設計及有限元分析［D］.吉林:吉林大學，2005.

［5］ 謝新軍，萬 軍.不規則厚煤層放頂煤工作面的懸移支架拆接實踐［J］.中州煤炭，2010(9):63－64.