滑移液压支架中顶梁的三维建模与有限元分析

2013-05-12贾苏书

中国新技术新产品 2013年7期

贾苏书

（安徽淮海实业发展集团有限公司淮北供销分公司，安徽淮北 235000）

随着煤矿的产业高速发展，中小型煤矿的发展在全国煤矿产业发展中占有不小的份额。如何提高其产业安全性成为了其发展的主要困难所在，为此本文在当前滑移液压支架进行优化设计，使其更加适合中小型煤矿产业需求，提高煤矿产业安全指标。该支架相比于传统综采液压支架体积小，机械结构简单稳定可靠。通过对其进行三维数字化建模、有限元分析、进而对其后续改进提供理论基础与技术依据。

由于液压支架实物测试成本高昂，为此本文采用虚拟样机技术模拟技术对其各项参数进行测试。按照其测试要求分为三维模型设计、运动过程分析、有限元分析三大部分。其中三维建模利用三维绘图软件对液压支架外观及其机械结构进行绘制，保证其各项尺寸、形状与实物吻合。运动过程分析在三维绘图基础上使其进行模拟运动，通过仿真对模型进行简化，减小后期数据处理压力。在此基础上对其进行有限元分析，并得出该支架各项性能参数。

1 滑移液压支架基本结构

滑移液压支架作为矿井液压支架的一种，最早用来替代单体液压支柱及铰接顶梁的使用。其设计结构与综采液压支架及单体液压支柱类似，并作为该两种支架的中间产品出现。由于其兼具该两种支架优势，使得其具有架设效率高、支柱稳定。通过改进其操作方法，大大减少了工作状态下其内部乳化液的流失。由于其优良的性能与适应性，使得其被广泛应用于各个中小型煤矿企业。

本文所检测的滑移液压支架是一种基于传统滑移液压支架改进后的新型产品，该支架主要由推移托梁、双向外注式液压支柱等部件组成。通过不同部件的相互配合，最终实现了滑移液压支架的伸缩、支撑、前移等机械运转要求。

2 三维建模

针对有限元分析软件要求，在滑移液压支架的三维建模过程中，选取CATIA软件作为系统建模软件。该软件不仅具有传统的三维建模功能更融合了CAD/CAE/CAM等设计三维建模功能，使其功能更加强大，运行更加稳定。

CATIA软件在实现三维建模的基础上，可通过真实化仿真设计来验证支架中各个机构运动状况。通过2D图纸与3D图纸之间的连接、比对，实现了对设计模型的干涉、间隙等参数进行测量。在使用中CATIA软件建模主要分为以下两个步骤实现。

（1）机械模型的二维草图建立，通过平面二维草图的建立得出模型外轮廓尺寸，及其各项外形参数。

（2）通过对二维草图进行拉伸、旋转等功能实现零件的各个部分绘制。利用分层绘制等方法，最终实现支架中各个零部件的绘制要求。

液压支架建模过程中，由于其结构简单，零部件多以大块、整体出现，大大降低了三维建模难度，缩短了三维建模周期。通过零部件的绘制，最终利用三维模型制作将各个绘制完整的零部件进行组装，最终完成滑移液压支架的三维建模过程。

图1 CATIA软件中三维建模流程

图2 液压支架中顶梁的三维实体模型

3 建立有限元模型

目前有限元分析流程按照其功能划分主要包含前处理、求解、后处理三部分组成，前处理分为三维建模、网格划分、数据定义三个组成部分。

其中三维建模由CATIA软件完成，由于三维模型中其各项参数与支架机构测量参数并无关联，为节省无关计算量，需对三维建模进行简化处理。将于测量数据无关的部分删除，大大缩减机构组成部分，降低后续系统运算量。根据实际使用要求本系统选用ABAQUS软件对该模型进行网格划分。通过设定边界条件与材料参数等信息对模型进行数据定义。通过后续对求解与后处理最终完成对滑移支架的有限元分析。图3为有限元分析流程图。

图4为顶梁整体应力分布云图，由图中可看出顶梁在两端承受集中载荷时所受应力分布主要集中于柱窝和与其相连的立筋上，柱窝与滑轨相连接部位有应力集中出现。最大值为170.7MPa，低于材料屈服极限345MPa。由此可得出该支架在工作状况中不会出现因支撑顶梁产生一次性过载而支架损坏的现象。