基于SolidWorks和ANSYS的推移框架设计与分析

张天成 杨忠东

（卡特彼勒（郑州）有限公司，河南 郑州 450103）

基于SolidWorks和ANSYS的推移框架设计与分析

张天成 杨忠东

（卡特彼勒（郑州）有限公司，河南 郑州 450103）

推移框架作为液压支架的组成部分，其结构的可靠性是推溜和移架工作的重要保证。根据配套条件设计了一种推移框架，通过制图软件SolidWorks对推移框架进行三维建模，装配千斤顶和连接头组成推移机构。然后在试验工况下对推移机构进行强度分析，并通过有限元分析软件ANSYS对推移框架的关键部位进行强度校核，验证设计的可行性。

推移框架；设计；分析

液压支架作为综采工作面主要设备之一，其架型结构和设计方法正不断发展。推移机构是实现液压支架动作和功能所必需的辅助机构，主要功能是推溜和移架［1］。推移框架是推移机构的主要组成部分，其放置于底座中裆，上下、左右与底座相配合，前端与刮板机通过连接头连接，后端与推移千斤顶连接。推移框架的结构和配合尺寸影响它的使用性能，所以推移框架的设计是否合理直接影响液压支架的整体性能。计算机软件技术的发展为设计工作提供了便利，运用分析软件可以优化产品结构，提高设计质量［2］。

1 设计条件

根据配套尺寸要求，支架中心距为1 500mm，带有抬底机构。推移步距为630mm，倒装长推移框架，推移千斤顶规格为180/120mm。双耳连接头连接刮板机，连接头中心高度为120mm，连接销轴直径为60mm。根据工作阻力和立柱规格模拟得出底座中裆宽度为320mm，推移框架连接长度为2 900mm。

2 设计过程

2.1 结构形式的确定

模拟得出推移框架连接长度后，由底座中裆宽度得出推移框架宽度为290mm，主筋外侧导向。推移框架的截面高度根据数据经验取为170mm，主筋厚度取为20mm，由于推移千斤顶推拉力较大，主筋选用高强板，且盖板下设置中筋。盖板、底板和中筋作为推移框架箱体结构的组成部分，厚度取为20mm，材质也选用高强板。推移千斤顶活塞杆扁厚为80mm，推移框架的配合尺寸取为90mm，耳座厚度取为80mm，同样选用高强板。其他位置的板材先按略低材质选取，后期根据强度分析及强度校核的结果进行优化。

考虑到推移千斤顶拆装的问题，耳座上的销轴孔设计为斜孔，选用挡块结构，销轴从前向后安装，与耳座配合的压块套料加工，提高材料利用率。由于支架带有抬底机构，为了方便抬底千斤顶在拉架过程中移动，推移框架的盖板中部采用缓斜坡上翘结构，盖板前端与主筋平齐。与连接头铰接的销轴，其固定方式设计为半环加挡销，拆装方便，推移框架上焊接半环。

2.2 具体参数的确定

推移框架的结构形式确定之后，下一步需要确定具体参数。到目前为止，材料的选择基本完成，总长、宽度、截面高度尺寸基本确定。未确定的参数有：耳座高度，耳座推移点的位置，包板的开口尺寸及圆弧大小，底板前端的厚度。

耳座高度与底座中裆配合，根据限位要求确定其高度为400mm。考虑到销轴安装的空间问题，推移点的高度尺寸取为270mm，宽度待定，两中心圆弧之间留有间隙，增加销轴的适应性。包板的开口尺寸与连接头的摆动角度有关，为了满足连接头的摆动范围，包板的尺寸需要推移机构整体模拟才能确定，为了方便加工，包板的厚度取为20mm。为了满足连接头中心高度为120mm的条件，底板前端需垫板，厚度为20mm，材质与底板相同。

除上述参数外，还有支撑筋板的尺寸及位置没有确定，它们可以根据设计经验合理取值。另外，盖板后端的斜度，耳座的宽度及销轴孔的位置与大小需要装配推移千斤顶模拟确定，包板的参数需要装配连接头模拟确定，这部分工作在三维模型建立后完成。

2.3 三维模型的建立

由于支架主体是焊接结构件，所以SolidWorks软件满足支架设计要求，而且它在三维建模方面存在明显优势［3］。根据推移框架的已知参数，可以使用SolidWorks进行三维建模。在草图绘制时输入确定参数，对于未定参数，可以预估数值输入，模拟过程中不断优化数值。自顶向下新建装配体之后，通过增加特征建立零件模型，零件在具体位置生成后，推移框架的三维模型逐步建立起来，如图1所示。

图1 推移框架的三维模型

图中所示吊环供安装、运输和维修时起吊使用，后部立筋开孔是为了排出堆积在推移框架内的矸石。盖板起折点的位置根据推移千斤顶的活动范围确定。在此基础上，为了确定其余未定参数，需要进行推移机构的模拟。将推移框架的模型和推移千斤顶、连接头和其他连接件的模型装配起来，建立推移机构的三维模型，如图2所示。

图2 推移机构的三维模型

在模拟过程中，确定了包板的开口尺寸与圆弧半径，盖板后端的斜度，盖板起折点的位置，耳座的宽度，销轴孔的位置与大小。至此，参数均已确定，推移框架的设计初步完成。

3 强度分析

设计初步完成后，需要进行强度分析，验证设计的可行性，如存在强度薄弱点，则需优化结构。根据煤矿液压支架通用技术条件［4］，推移机构存在三种试验工况：①推移机构偏载；②推移机构侧向加载；③推移机构垂直加载。因此，需要对推移机构进行试验工况下的强度分析。

3.1 推移机构偏载

根据试验工况和试验条件对推移机构进行偏载试验，得出试验数据，如表1所示。

表1 偏载工况的试验数据

表中Δmax为最大应力，σs为屈服强度，n为安全系数。

3.2 推移机构侧向加载

根据试验工况和试验条件对推移机构进行侧向加载试验，得出试验数据，如表2所示。

表2 侧面加载工况的试验数据

表中M为弯矩。

3.3 推移机构垂直加载

根据试验工况和试验条件对推移机构进行垂直加载试验，此项试验针对有抬底机构的液压支架。抬底千斤顶的推拉力为485/212kN，得出试验数据，如表3所示。

表3 垂直加载工况的试验数据

表中参数的意义与表1、表2相同。

根据安全系数的数值判断，设计的推移机构满足强度要求。

4 强度校核

在推移机构满足强度要求的前提下，还需要对推移框架的连接关键部位进行强度校核，以保证在受到冲击载荷时支架的薄弱环节发挥作用而推移框架不被破坏，因此推移框架前后端和销轴连接处的强度校核是重要的设计验证工作。

前端与连接头通过销轴铰接，需要计算推移框架铰接孔的接触应力。步骤是建立计算模型，套用赫兹公式，然后根据经验准则判断安全系数是否合理。经计算，安全系数为1.4，满足强度要求。

图3 推移框架的应力云图

后端和推移千斤顶通过销轴连接，耳座销轴接触面的强度校核通过有限元分析完成。分析过程中，忽略焊缝与高强板强度差异及焊接变形的影响［5］，简化后建立有限元分析模型，通过ANSYS软件计算得出应力云图，如图3所示。

根据云图显示，耳座的销轴接触圆弧处存在应力集中现象，在1.5倍推移千斤顶拉力的加载条件下最大应力达到829MPa，但应力集中的区域较小，并且应力沿板厚方向迅速递减，进入安全范围。根据有限元分析经验判断，满足强度要求。

强度校核完成，两个关键部位均满足强度要求，推移框架的设计具有可行性。

5 结语

在推移框架的设计和三维建模完成后，通过试验工况下的强度分析，验证了设计的合理性。通过关键部位的强度校核，提高了设计的可靠性，降低了潜在风险，对提高推移框架的使用寿命具有重要意义。

［1］王国法.液压支架技术［M］.北京：煤炭工业出版社，1999.

［2］王宇，刘洋，等.基于ANSYS软件的液压支架推杆优化设计［J］.煤矿机械，2010，31（12）：7-9.

［3］王国法，许亚军，孙守山.液压支架三维建模及其运动仿真［J］.煤炭科学技术，2003，31（1）：42-45.

［4］GB25974.1-2010.煤矿用液压支架第1部分：通用技术条件［S］.国家质量监督检验检疫总局国家标准化管理委员会发布，2011.

［5］田虎楠，王作棠，等.基于ANSYSWorkbench的液压支架推移杆有限元分析［J］.机械工程与自动化，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

张天成（1986-），男，硕士，工程师，研究方向：液压支架设计研发。