基于SolidWorks和ANSYS的推移框架設計與分析

張天成 楊忠東

（卡特彼勒（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450103）

基于SolidWorks和ANSYS的推移框架設計與分析

張天成 楊忠東

（卡特彼勒（鄭州）有限公司，河南 鄭州 450103）

推移框架作為液壓支架的組成部分，其結構的可靠性是推溜和移架工作的重要保證。根據配套條件設計了一種推移框架，通過制圖軟件SolidWorks對推移框架進行三維建模，裝配千斤頂和連接頭組成推移機構。然后在試驗工況下對推移機構進行強度分析，并通過有限元分析軟件ANSYS對推移框架的關鍵部位進行強度校核，驗證設計的可行性。

推移框架；設計；分析

液壓支架作為綜采工作面主要設備之一，其架型結構和設計方法正不斷發展。推移機構是實現液壓支架動作和功能所必需的輔助機構，主要功能是推溜和移架［1］。推移框架是推移機構的主要組成部分，其放置于底座中襠，上下、左右與底座相配合，前端與刮板機通過連接頭連接，后端與推移千斤頂連接。推移框架的結構和配合尺寸影響它的使用性能，所以推移框架的設計是否合理直接影響液壓支架的整體性能。計算機軟件技術的發展為設計工作提供了便利，運用分析軟件可以優化產品結構，提高設計質量［2］。

1 設計條件

根據配套尺寸要求，支架中心距為1 500mm，帶有抬底機構。推移步距為630mm，倒裝長推移框架，推移千斤頂規格為180/120mm。雙耳連接頭連接刮板機，連接頭中心高度為120mm，連接銷軸直徑為60mm。根據工作阻力和立柱規格模擬得出底座中襠寬度為320mm，推移框架連接長度為2 900mm。

2 設計過程

2.1 結構形式的確定

模擬得出推移框架連接長度后，由底座中襠寬度得出推移框架寬度為290mm，主筋外側導向。推移框架的截面高度根據數據經驗取為170mm，主筋厚度取為20mm，由于推移千斤頂推拉力較大，主筋選用高強板，且蓋板下設置中筋。蓋板、底板和中筋作為推移框架箱體結構的組成部分，厚度取為20mm，材質也選用高強板。推移千斤頂活塞桿扁厚為80mm，推移框架的配合尺寸取為90mm，耳座厚度取為80mm，同樣選用高強板。其他位置的板材先按略低材質選取，后期根據強度分析及強度校核的結果進行優化。

考慮到推移千斤頂拆裝的問題，耳座上的銷軸孔設計為斜孔，選用擋塊結構，銷軸從前向后安裝，與耳座配合的壓塊套料加工，提高材料利用率。由于支架帶有抬底機構，為了方便抬底千斤頂在拉架過程中移動，推移框架的蓋板中部采用緩斜坡上翹結構，蓋板前端與主筋平齊。與連接頭鉸接的銷軸，其固定方式設計為半環加擋銷，拆裝方便，推移框架上焊接半環。

2.2 具體參數的確定

推移框架的結構形式確定之后，下一步需要確定具體參數。到目前為止，材料的選擇基本完成，總長、寬度、截面高度尺寸基本確定。未確定的參數有：耳座高度，耳座推移點的位置，包板的開口尺寸及圓弧大小，底板前端的厚度。

耳座高度與底座中襠配合，根據限位要求確定其高度為400mm。考慮到銷軸安裝的空間問題，推移點的高度尺寸取為270mm，寬度待定，兩中心圓弧之間留有間隙，增加銷軸的適應性。包板的開口尺寸與連接頭的擺動角度有關，為了滿足連接頭的擺動范圍，包板的尺寸需要推移機構整體模擬才能確定，為了方便加工，包板的厚度取為20mm。為了滿足連接頭中心高度為120mm的條件，底板前端需墊板，厚度為20mm，材質與底板相同。

除上述參數外，還有支撐筋板的尺寸及位置沒有確定，它們可以根據設計經驗合理取值。另外，蓋板后端的斜度，耳座的寬度及銷軸孔的位置與大小需要裝配推移千斤頂模擬確定，包板的參數需要裝配連接頭模擬確定，這部分工作在三維模型建立后完成。

2.3 三維模型的建立

由于支架主體是焊接結構件，所以SolidWorks軟件滿足支架設計要求，而且它在三維建模方面存在明顯優勢［3］。根據推移框架的已知參數，可以使用SolidWorks進行三維建模。在草圖繪制時輸入確定參數，對于未定參數，可以預估數值輸入，模擬過程中不斷優化數值。自頂向下新建裝配體之后，通過增加特征建立零件模型，零件在具體位置生成后，推移框架的三維模型逐步建立起來，如圖1所示。

圖1 推移框架的三維模型

圖中所示吊環供安裝、運輸和維修時起吊使用，后部立筋開孔是為了排出堆積在推移框架內的矸石。蓋板起折點的位置根據推移千斤頂的活動范圍確定。在此基礎上，為了確定其余未定參數，需要進行推移機構的模擬。將推移框架的模型和推移千斤頂、連接頭和其他連接件的模型裝配起來，建立推移機構的三維模型，如圖2所示。

圖2 推移機構的三維模型

在模擬過程中，確定了包板的開口尺寸與圓弧半徑，蓋板后端的斜度，蓋板起折點的位置，耳座的寬度，銷軸孔的位置與大小。至此，參數均已確定，推移框架的設計初步完成。

3 強度分析

設計初步完成后，需要進行強度分析，驗證設計的可行性，如存在強度薄弱點，則需優化結構。根據煤礦液壓支架通用技術條件［4］，推移機構存在三種試驗工況：①推移機構偏載；②推移機構側向加載；③推移機構垂直加載。因此，需要對推移機構進行試驗工況下的強度分析。

3.1 推移機構偏載

根據試驗工況和試驗條件對推移機構進行偏載試驗，得出試驗數據，如表1所示。

表1 偏載工況的試驗數據

表中Δmax為最大應力，σs為屈服強度，n為安全系數。

3.2 推移機構側向加載

根據試驗工況和試驗條件對推移機構進行側向加載試驗，得出試驗數據，如表2所示。

表2 側面加載工況的試驗數據

表中M為彎矩。

3.3 推移機構垂直加載

根據試驗工況和試驗條件對推移機構進行垂直加載試驗，此項試驗針對有抬底機構的液壓支架。抬底千斤頂的推拉力為485/212kN，得出試驗數據，如表3所示。

表3 垂直加載工況的試驗數據

表中參數的意義與表1、表2相同。

根據安全系數的數值判斷，設計的推移機構滿足強度要求。

4 強度校核

在推移機構滿足強度要求的前提下，還需要對推移框架的連接關鍵部位進行強度校核，以保證在受到沖擊載荷時支架的薄弱環節發揮作用而推移框架不被破壞，因此推移框架前后端和銷軸連接處的強度校核是重要的設計驗證工作。

前端與連接頭通過銷軸鉸接，需要計算推移框架鉸接孔的接觸應力。步驟是建立計算模型，套用赫茲公式，然后根據經驗準則判斷安全系數是否合理。經計算，安全系數為1.4，滿足強度要求。

圖3 推移框架的應力云圖

后端和推移千斤頂通過銷軸連接，耳座銷軸接觸面的強度校核通過有限元分析完成。分析過程中，忽略焊縫與高強板強度差異及焊接變形的影響［5］，簡化后建立有限元分析模型，通過ANSYS軟件計算得出應力云圖，如圖3所示。

根據云圖顯示，耳座的銷軸接觸圓弧處存在應力集中現象，在1.5倍推移千斤頂拉力的加載條件下最大應力達到829MPa，但應力集中的區域較小，并且應力沿板厚方向迅速遞減，進入安全范圍。根據有限元分析經驗判斷，滿足強度要求。

強度校核完成，兩個關鍵部位均滿足強度要求，推移框架的設計具有可行性。

5 結語

在推移框架的設計和三維建模完成后，通過試驗工況下的強度分析，驗證了設計的合理性。通過關鍵部位的強度校核，提高了設計的可靠性，降低了潛在風險，對提高推移框架的使用壽命具有重要意義。

［1］王國法.液壓支架技術［M］.北京：煤炭工業出版社，1999.

［2］王宇，劉洋，等.基于ANSYS軟件的液壓支架推桿優化設計［J］.煤礦機械，2010，31（12）：7-9.

［3］王國法，許亞軍，孫守山.液壓支架三維建模及其運動仿真［J］.煤炭科學技術，2003，31（1）：42-45.

［4］GB25974.1-2010.煤礦用液壓支架第1部分：通用技術條件［S］.國家質量監督檢驗檢疫總局國家標準化管理委員會發布，2011.

［5］田虎楠，王作棠，等.基于ANSYSWorkbench的液壓支架推移桿有限元分析［J］.機械工程與自動化，2013，181（6）：11-12.

Design and Analysisof Advancing Framebased on SolidWorksand ANSYS

Zhang Tiancheng Yang Zhongdong
（Aterpillar（Zhengzhou）Ltd.，Zhengzhou Henan 450103）

As a part of hydraulic roof support，the reliability of advancing frame plays an important role in the work of pushing and pulling support.An advancing frame is designed on the basis ofmatched condition，three-di?mensionalmodel of the frame is built with software SolidWorks，then the frame，joint and cylinderare assembled to constitute advancing mechanism.After that，strength analysis of advancing mechanism is conducted under test conditions.In the end，strength check of its critical parts is carried outwith ANSYSwhich is finite element analy?sis software，and feasibility of the design is verified.

advancing frame；design；analysis

TP242

A

1003-5168（2015）05-0054-3

2015-4-20

張天成（1986-），男，碩士，工程師，研究方向：液壓支架設計研發。