基于SolidWorks的液壓支架推桿有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

史根軍

摘 要：利用SolidWorks軟件平臺進(jìn)行推桿的三維建模，然后根據(jù)支架在井底的受力情況，利用SimulationXpress分析向?qū)σ簤褐Ъ芡茥U模型進(jìn)行有限元分析，根據(jù)所得分析結(jié)果對推桿結(jié)構(gòu)及材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為以后的設(shè)計(jì)加工應(yīng)用提供了有效的參考。

關(guān)鍵詞：液壓支架 推桿 有限元 優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：TD355 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（c）-0053-02

液壓支架在完成推溜和移架兩個基本動作時，其主要受力部件為推桿和連接頭及其附件，這就要求推桿必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。推桿受突變載荷的主要是由于在“三軟”煤層工作面頂板、煤層及底板的不同結(jié)構(gòu)特點(diǎn)造成的。例如，刮板輸送機(jī)下陷大部分原因是由于煤層底板松軟，而刮板輸送機(jī)下陷后就不可避免地給推桿增加了一個載荷；再如，液壓支架被壓死主要是由于支架通過煤層頂板破損嚴(yán)重的地方時，頂板掉落后壓住液壓支架造成的，這種情況下也給推桿施加了一個載荷。

1 推桿的受力情況

當(dāng)液壓支架在爬坡和下坡，即仰采和俯采時，由于煤層地質(zhì)狀態(tài)存在一定的變化，就相當(dāng)于給推桿施加了一個很大的外部載荷，這些外部載荷除推溜和拉架力外，其他受力就存在一定的不確定性和不可預(yù)見性。另外結(jié)構(gòu)型式為長框架的推移桿比較長，并且在底座中檔處于浮動狀態(tài)，距離底座中檔兩側(cè)主筋單邊間隙只有10 mm。當(dāng)煤層傾角達(dá)到一定程度時，推桿受刮板輸送機(jī)作用的下滑力增大。這時推桿很容易與刮板輸送機(jī)產(chǎn)生相對錯位，即刮板輸送機(jī)在下滑時與底座前端發(fā)生碰撞，致使推桿側(cè)面受力變形，嚴(yán)重時可造成推桿損壞。

由上面的分析我們可以看出作用在推桿上的載荷是存在一定變量，正是由于這些變量和推桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造成推桿在工作時發(fā)生損壞。而推桿的損壞在一定程度上會造成出煤量的下降，所以我們必須在支架設(shè)計(jì)時充分分析研究推桿受力和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

通過走訪用戶實(shí)際勘察后，我們簡化了推桿的載荷，其在工作時主要受力載荷有以下3種。

（1）推桿受推移千斤頂?shù)睦屯屏Α?/p>

（2）抬底千斤頂?shù)奶У讐毫Α?/p>

（3）刮板輸送機(jī)下滑引起的側(cè)向力。

由于液壓支架采煤時大多數(shù)時間以靜力狀態(tài)工作，所以可以將固定端設(shè)置為推桿通過連接頭與刮板輸送機(jī)一端相連處；推桿的另一端只受推溜和移架時推移千斤頂?shù)耐屏屠Α?/p>

2 建立有限元分析模型

如圖1為ZYT12000/28/63D支架推桿的前期二維結(jié)構(gòu)模型，由圖1可看出，此推桿結(jié)構(gòu)形式為寬為200 mm、高為185 mm的整體長推桿箱體結(jié)構(gòu)。推桿底板、蓋板、兩側(cè)主筋所用材質(zhì)均為Q890高強(qiáng)度鋼板，其余采用強(qiáng)度較低一級的高強(qiáng)板，通過拼裝焊接而成的箱體結(jié)構(gòu)。

為進(jìn)行有限元分析我們將推桿進(jìn)行三維建模，圖2為推桿三維模型。

3 推桿的受力分析

將以上模型導(dǎo)入到SolidWorks Simulation中，根據(jù)液壓支架推桿的實(shí)際受力情況，采用不同的約束力和載荷進(jìn)行有限元分析。

該文從4種情況分析推桿在加載1.5倍許用載荷時的受力情況。其受力分析情況如下。

（1）情況1：推桿僅受到推移千斤頂推力作用（見圖3）。

（2）情況2：推桿僅受到抬底千斤頂推力作用（見圖4）。

（3）情況3：推桿僅受到側(cè)向力作用（見圖5）。

（4）情況4：同時受這3種力（見圖6）。

由圖6可見，同時加載上述3種載荷時推桿的彎曲應(yīng)力最大時達(dá)到1 468 MPa。

4 結(jié)論

在設(shè)計(jì)ZYT12000/28/63D支架推桿時，其結(jié)構(gòu)形式采用高強(qiáng)度鋼板焊接而成的箱體結(jié)構(gòu)，其可靠性取決于以下幾方面。

（1）合理設(shè)計(jì)推桿結(jié)構(gòu)。

（2）推桿梁體截面的強(qiáng)度校核計(jì)算。

（3）實(shí)際受力分析。

（4）合理設(shè)計(jì)焊縫。

（5）優(yōu)化應(yīng)力集中。

為提高推桿結(jié)構(gòu)的可靠性，并根據(jù)上述對推桿的應(yīng)力分析結(jié)果，采取以下幾種措施。

（1）減小豎銷與推桿鉸接孔的配合間隙。

（2）為改善推桿的整體性能，對推桿框架結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（3）為加強(qiáng)推桿的整體性能，優(yōu)化了推桿與連接頭鉸接部位結(jié)構(gòu)，并加強(qiáng)了相應(yīng)鉸接部位設(shè)計(jì)的合理性。

（4）為減小推桿主要焊接及鉸接部位的應(yīng)力集中，合理優(yōu)化部件材質(zhì)、焊縫結(jié)構(gòu)及大小。

（5）推桿與連接頭鉸接部件材質(zhì)選用Q890高強(qiáng)度材料。

參考文獻(xiàn)

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