基于Solidworks的薄煤层液压支架设计

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0引言

; z1 D; F6 _8 G. z8 U" {0 S* {液压支架主要用于支护采场围岩，同时还要与采煤机、刮板输送机协调运行。特别是由于采场围岩的复杂性以及不同结构类型液压支架与不同类别的采场围岩表现出的相互作用特性，从而导致液压支架工况和特性的复杂性和随机性。采场环境、开采方式和生产规模对液压支架性能和指标的要求不同，导致了液压支架的系列和品种很多，给设计和制造带来了一定的困难。由于薄煤层液压支架存在支架高度低、行人空间狭小和梁体薄等结构上的特点，因此结构设计必须采用紧凑设计，交叉布置才能满足要求。

1传统设计方法存在的问题

目前薄煤层液压支架传统二维设计方法难于解决以下问题:

$ f1 c. f* F" j$ ?# m" A(1)如何避免支架设计中出现干涉现象，尤其是动态干涉检查问题。
(2)如何确定支架重心，尤其是动态中的中心轨迹变化问题。重心的确定对于大倾角液压支架设计非常重要。
# {& v& @# c, I4 H% o2 q3 L, |(3)支架的整体受力分析，目前仍然依靠压架试验来检验设计的合理性，费工费时。如果用数字化的形式进行产品设计分析代替传统的实物样机实验，不仅减少了样机试制费用，同时还使设计出来的产品更加符合设计要求，保证产品性能，实现产品设计的一次性成功，缩短设计周期。

. n! M; s6 x/ G/ x2应用Solidworks设计
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0 _6 y" G) f$ E/ y+ Z, A5 `' k2.1设计分析

利用Solidworks三维设计软件可对设计进行分析:包括实体造型、重量核算、确定重心、干涉检查、图纸尺寸检验、运动检查等。
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新建零件文件-选择基础特征命令-选择参考面-绘制支架部件二维草图轮廓-完成支架部件基础特征的创建-添加支架部件其他特征-保存零件文件。

创建完支架所有部件模型后，开始对支架进行装配。在装配环境中调人底座作为支架模型的基准部件，系统自动对它施加固定关系，通过面匹配、面对齐、轴对齐、联接、角度等装配关系，将后续调人的支架前连杆、后连杆、掩护梁、顶梁、立柱、千斤顶等零部件依次进行装配。

. G7 I- a4 ]4 V9 \; z4 f三维建模时需注意的几个问题:
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  f! D' ]- }9 Q9 k4 A" l" T(1)为节省时间和提高建模速度，各部件尽量采用单一实体方式，对于柱窝、柱帽由于形状稍微复杂，可以考虑装配方式。
(2)保留危险部位的细小结构。
( |# M/ N' @$ W& t0 I0 e9 `9 f# j(3)焊缝的联接强度等于母材强度。
(4)略去工艺结构和不影响强度分析的细节。
(5)立柱以及各种千斤顶的活塞和缸体在总装图中装配，方便进行运动分析。

用SolidWorks建立的ZY2000/07/14液压支架底座如图1所示，总装图如图2所示。
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3 f1 `' Z3 W7 t2 J  {0 A( {- Z完成支架所有部件的装配后，进行干涉检查。在制造样机之前对设计进行三维样机干涉检查，使支架设计的出错率降到最低。Solidworks可以利用微机计算，自动检查干涉，分析产生干涉的原因，并形象显示出来。对支架相关干涉的部位进行编辑和修改，然后再次对支架进行干涉检查，反复数次，直至没有干涉为止。

重量统计和重心计算也是利用计算机自动进行，有时矿方由于下井运输重量限制等原因，规定支架重量限制。支架厂家需要准确的设计重量来决策竞标价格底线，以及生产成本核算，这时重量计算的准确性就非常重要。三维自动计算比人工统计既迅速又准确。

( W9 h) Y& V; f2 |1 r$ s( k在给矿方汇报方案时，利用支架三维实体模型和运动仿真，将支架的每一个部件结构，每一层装配关系，各种运动都清晰、直观地显示出来。由于矿方审核人员往往不是支架专业人士，对支架二维方案图缺乏三维想象力，这样三维实体模型使他们有了更感性的认识，方便交流和沟通。
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( s2 s8 l7 c3 {$ c+ R2.2应力分析
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利用Cosmos/works有限元分析软件可对支架数字实体模型进行应力分析，找到应力分布规律，确定安全系数，优化结构尺寸。

& n) j4 }# e" K1 V8 c; _目前支架应力分析方法通常采用传统的材料力学和弹性力学来进行分析。传统计算方法主要进行平面力系计算，空间力学计算比较困难，而且无法处理一些结构件强度问题，如过桥的强度分析，使得计算简略而缺乏可靠性。

# B. D- S# x* t! S3 R6 j! M( B当前比较先进的强度分析方法是有限元法，有限元法是求解数理方程的一种数值方法，它是将弹性理论、计算数学和计算机软件有机地结合在一起的一种数值分析技术，由丁它快速、高效地解决了许多学科和实际工程问题，因而得到逐步的推广应用。
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4 o, D0 v. s; f  M支架有限元强度计算以液压支架通用技术条件为依据。根据实际需要，进行静力强度计算。加载方式采用组合加载方式进行计算，相对国内标准检测出液压支架的安全性。

在计算中不把垫块的作用力当作外力来考虑，而是把垫块的作用力当作边界条件来处理。由于将垫块作为结构的边界约束条件来处理，因此，对于掩护式支架来说，其外载只有立柱对顶梁、底座柱窝所加的载荷。由于柱窝同立柱的作用属于接触问题，处理起来较为复杂，因此假定立柱传递给柱窝的外力均匀作用于柱窝表面。
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# w- z; b; q, n6 b0 p( [2 q支架结构中销孔与销轴间的接触点，随着加载方式和支架高度的不同而不同。在整架计算时，省略接触问题，将销轴件简化为梁元米进行计算。
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支架模型为实体模型。为了减少节点数量，节约计算机资源，在建模时可以作必要的简化。对ZY2000/07/14结构件三维实体模型装配体的分析，按照以下9种加载方式分别进行1)顶梁偏载;(2)顶梁偏载与底座扭转;(3)顶梁偏载与底座集中载荷;(4)顶梁扭转;(5)顶梁扭转与底座集中载荷;(6)顶梁两端集中载荷;(7)顶梁中部集中载荷;(g)底座扭转;(9)底座两端集中载荷。
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以第(2)种情况为例，经过材质参数定义、网格划分、定义边界条件(约束和加载)、运行应力计算等步骤，计算结果的应力云图如图3所示。

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通过对9种计算结果分析，总结如下:

(1)柱窝附近和垫块附近的应力值都较高;
(2)顶梁偏载时，顶梁、掩护梁、前后连杆上的应力都较大;
5 u* q2 Y& R; b# s+ T3 ~(3)顶梁中间加集中载荷时，顶梁上应力值较大，其余构件应力则小得多;
(4)顶梁3点加载时，前部加偏载时，最高应力出现在前部柱窝附近肋板处与顶梁和掩护梁连接处;
(5)顶梁两端加集中载荷时，顶梁上应力较大，其他部件上的应力值相比要小得多;
(6)底座3点加载时，前部加偏载时，则最高应力区位于过桥处;
(7)前、后连杆的应力值在顶梁加偏载时和3点加载时应力值较高。

通过对支架整架有限元应力分析，找出支架应力分布规律，即支架在顶梁偏载工况下受力状况最为恶劣，表现为支架顶梁、掩护梁、前后连杆和底座等处都有较大的应力分布。为节省时间，可以着重加强顶梁偏载、3点加载(方垫块位于顶梁后方)和底座扭转(方垫块位于底座前方)3种工况的分析。

, H" ], G  _* r. v8 }8 M" E- A支架强度分析表明，其最高应力分布表现为区域性、局部性的存在，在实际设计中应重点在该区域施以高强度板材。

6 ?! k9 D/ F) w0 F! g9 p3结语

应用Solidworks软件设计的ZY2000/07/14薄煤层液压支架，在淄博矿务局埠村煤矿综采工作面一次安装配套成功，目前已正式投产，达到了设计的要求，证明了在液压支架设计中应用Solidworks三维设计软件是可行的。