基于SolidWorks的液压支架推杆有限元分析及优化设计

史根军

摘 要：利用SolidWorks软件平台进行推杆的三维建模，然后根据支架在井底的受力情况，利用SimulationXpress分析向导对液压支架推杆模型进行有限元分析，根据所得分析结果对推杆结构及材料进行优化设计，为以后的设计加工应用提供了有效的参考。

关键词：液压支架 推杆 有限元 优化设计

中图分类号：TD355 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）03（c）-0053-02

液压支架在完成推溜和移架两个基本动作时，其主要受力部件为推杆和连接头及其附件，这就要求推杆必须有足够的强度和刚度。推杆受突变载荷的主要是由于在“三软”煤层工作面顶板、煤层及底板的不同结构特点造成的。例如，刮板输送机下陷大部分原因是由于煤层底板松软，而刮板输送机下陷后就不可避免地给推杆增加了一个载荷；再如，液压支架被压死主要是由于支架通过煤层顶板破损严重的地方时，顶板掉落后压住液压支架造成的，这种情况下也给推杆施加了一个载荷。

1 推杆的受力情况

当液压支架在爬坡和下坡，即仰采和俯采时，由于煤层地质状态存在一定的变化，就相当于给推杆施加了一个很大的外部载荷，这些外部载荷除推溜和拉架力外，其他受力就存在一定的不确定性和不可预见性。另外结构型式为长框架的推移杆比较长，并且在底座中档处于浮动状态，距离底座中档两侧主筋单边间隙只有10 mm。当煤层倾角达到一定程度时，推杆受刮板输送机作用的下滑力增大。这时推杆很容易与刮板输送机产生相对错位，即刮板输送机在下滑时与底座前端发生碰撞，致使推杆侧面受力变形，严重时可造成推杆损坏。

由上面的分析我们可以看出作用在推杆上的载荷是存在一定变量，正是由于这些变量和推杆结构设计造成推杆在工作时发生损坏。而推杆的损坏在一定程度上会造成出煤量的下降，所以我们必须在支架设计时充分分析研究推杆受力和结构特点。

通过走访用户实际勘察后，我们简化了推杆的载荷，其在工作时主要受力载荷有以下3种。

（1）推杆受推移千斤顶的拉力和推力。

（2）抬底千斤顶的抬底压力。

（3）刮板输送机下滑引起的侧向力。

由于液压支架采煤时大多数时间以静力状态工作，所以可以将固定端设置为推杆通过连接头与刮板输送机一端相连处；推杆的另一端只受推溜和移架时推移千斤顶的推力和拉力。

2 建立有限元分析模型

如图1为ZYT12000/28/63D支架推杆的前期二维结构模型，由图1可看出，此推杆结构形式为宽为200 mm、高为185 mm的整体长推杆箱体结构。推杆底板、盖板、两侧主筋所用材质均为Q890高强度钢板，其余采用强度较低一级的高强板，通过拼装焊接而成的箱体结构。

为进行有限元分析我们将推杆进行三维建模，图2为推杆三维模型。

3 推杆的受力分析

将以上模型导入到SolidWorks Simulation中，根据液压支架推杆的实际受力情况，采用不同的约束力和载荷进行有限元分析。

该文从4种情况分析推杆在加载1.5倍许用载荷时的受力情况。其受力分析情况如下。

（1）情况1：推杆仅受到推移千斤顶推力作用（见图3）。

（2）情况2：推杆仅受到抬底千斤顶推力作用（见图4）。

（3）情况3：推杆仅受到侧向力作用（见图5）。

（4）情况4：同时受这3种力（见图6）。

由图6可见，同时加载上述3种载荷时推杆的弯曲应力最大时达到1 468 MPa。

4 结论

在设计ZYT12000/28/63D支架推杆时，其结构形式采用高强度钢板焊接而成的箱体结构，其可靠性取决于以下几方面。

（1）合理设计推杆结构。

（2）推杆梁体截面的强度校核计算。

（3）实际受力分析。

（4）合理设计焊缝。

（5）优化应力集中。

为提高推杆结构的可靠性，并根据上述对推杆的应力分析结果，采取以下几种措施。

（1）减小竖销与推杆铰接孔的配合间隙。

（2）为改善推杆的整体性能，对推杆框架结构型式进行优化设计。

（3）为加强推杆的整体性能，优化了推杆与连接头铰接部位结构，并加强了相应铰接部位设计的合理性。

（4）为减小推杆主要焊接及铰接部位的应力集中，合理优化部件材质、焊缝结构及大小。

（5）推杆与连接头铰接部件材质选用Q890高强度材料。

参考文献

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