论文部分内容阅读
【摘 要】针对目前液压支架上侧推机构，提出一种新型结构方式，并针对两种结构形式进行对比分析。应用有限元分析软件对其进行有限元分析，并且进行二维受力分析，综合得出结论。新型结构在液压支架上应用性能较好。
【关键词】液压支架 侧推机构 设计 有限元
一、问题描述
液压支架结构有限元分析属于大型复杂装配体的分析，普遍存在于模型导入困难、分析速度慢、结果稳定性差等不足。现采用ANSYS Workbench软件平台来完成支架的部件有限元分析的工作。
二、分析思路
（一）液压支架部件模型简化和处理，保证模型能够导入workbench中进行计算【1】。
（二）按照《MT 312-2000液压支架通用技术要求》，给液压支架部件模型加上相应工况的垫块。
（三）新型侧推机构为支架顶梁内主筋从侧推轴线向盖板方向贯穿开豁口，为侧推油缸构建开放的空间。同时，在被弱化的两内主筋旁重建同类结构，补充被削弱的两内主筋，并在两侧盖板下增加10mm厚的盖板进行加强。
三、液压支架模型处理
对Pro/E各部件模型进行简化得到液压支架部件三维图和各项载何数据后，应首先对模型进行简化，并对液压支架进行干涉检查。对液压支架各部件模型进行干涉检查，保证各部件进行没有干涉。 简化各部件模型，删除掉包括用于避让焊缝的倒角、对受力影响可以忽略的倒圆角、对受力影响可以忽略的特征、用于坡口焊的倒角特征、因考虑制造误差或制造工艺人为引入的匹配间隙、防止漏砖矸而添加的弯板件、挡销座、弹簧套筒；补充斜盖板与横筋之间搭接间隙，避免生成线面接触或点面接触。最后得到的部件模型应该各板件之间面面接触、零间隙。图1、图2为常规结构与新型结构对比【2】
图1常规型侧推结构顶梁模型
图2新型侧推结构顶梁模型
各个部件模型处理完成后，导入WORKBENCH验证简化模型是否成功。
按照上述步聚简化完模型后，可能会由于操作人员的疏忽而造成模型简化不彻底。因此需将简化后的模型导入到workbench中进行验证模型是否简化彻底。进入workbench中的geometry环境，生成NEW PART。进入simulation中验证模型是否可行。验证完成后，进行网格划分。采用四面体与六面体共同分析网格划分质量，标准在于网格划分均匀分布。具体划分结果见图3。
图3网格划分网络图
四、顶梁有限元分析
支架工作阻力4200KN，主体材料q960，屈服强度为960MPa。本节将根据《MT 312-2000液压支架通用技术要求》的加载要求，顶梁以前扭转为例对其加载。通过计算软件，求出部件的最大应力及最大位移，验证支架机械合理性。
首先，将支架模型高度调整为2270mm（支架最大高度减去支架行程的1/3），将顶梁上端增加如图所示垫块。计算所施加的力的大小（立柱单根为2.1x106N）。垫块处施加固定约束（Fixed Support），未加垫块的顶梁或底座端加给无摩擦支撑（Frictionless Sapport）。
支架高度调整为2270mm（支架最大高度减三分之一行程），将顶梁上端增加如图所示垫块。计算所施加的内力的大小（立柱单根为2.1x106N）。垫块处施加约束（Fixed Support和Frictionless Sapport）。垫块具体位置考虑到液压支架结构特点去除中间应力过度集中位置。
五、顶梁分析结果
应用有限元分析软件ANSYS workbench进行分析。得出以下分析结果【3】。
顶梁前扭转图4、图5：
图4 常规型侧推结构顶梁应力云图
图5新型侧推结构顶梁应力云图
常规型侧推结构顶梁的侧推机构周围最大应力为637.71MP，出现在盖板开豁口处，新型侧推结构顶梁的侧推机构周围最大应力为788.83.43MP，出现在盖板开豁口处，因使用材料为Q960，应力在允许范围内。其他的部分均在550MP以下，支架的母材为Q960，许用应力为960MP，计算结果符合要求。两种型式的顶梁对比分析知：新型顶梁侧推处应力更趋于平均且较小，仅在两侧出现应力集中点而且在允许范围之内。进行位移分析得出位移云图6、图7，顶梁前扭转：
图6 常规型侧推结构顶梁位移云图
图7新型侧推结构顶梁位移云图
常规型侧推结构顶梁最大变形出现在顶梁右侧中部，最大变形为14.675mm：新型侧推结构顶梁最大变形出现在顶梁右侧中部，最大变形为16.981mm，趋势相同，变形变化不大【4】。
六、安全系数计算
表1为安全取值范围。
梁体危险截面弯矩校核
位置 弯矩M（NM） 应力σ（Mpa） 材料屈服极（Mpa） 安全系数
改前 顶梁前侧推处 3290970 695.85 960 1.38
顶梁后侧推处 3290970 675.15 960 1.42
改后 顶梁前侧推处 3290970 737.31 960 1.3
顶梁后侧推处 3290970 732.86 960 1.31
表1危险截面弯矩图
对顶梁侧推处截面进行安全系数计算，顶梁侧推截面处的弯矩取柱帽处的最大弯矩3290970.36 NM，可见，两种型式的安全系数变化不大且均符合安全系数要求。
七、结语
通过分析支架的顶梁的应力分布，可以快速确定支架在该工况下的高应力区，从而判断零部件是否处于危险工况。由于边界条件设定的原因，最大应力出现在支架与垫块接触的部位，但该高应力区实际工况中并不存在，因而可以忽略该局部高应力区。在分析中，发现一些凸显的应力高危区域，主要是应力集中造成的。因此推荐在设计与生产过程中，尽量避免形状的突变。对于在结构上避免不了的区域，也应适当添加圆角，减轻应力集中的影响。
通过分析，在加载相同边界条件的条件下，简化后顶梁的模型侧推机构周围应力分布情况比简化前顶梁应力稍大，但仍在材料许用应力范围内，且此种结构变形量也在许用范围内，故顶梁简化可行。有限元分析和安全系数计算结果知，新型侧推结构形式可行。
参考文献：
[1] 陈龙， 郑晓雯， 王仝杰， 李彩琴. 基于SolidEdge的液压支架顶梁优化设计系统[J]. 煤矿机械 ， 2002，（07）
[2]李秋生， 尹冬晨， 崔汉涛， 董润滋. 无活动侧护板顶梁结构设计[J]. 煤矿机械 ， 2006，（10）
[3] 王进军. 有限元法在支架强度设计中的应用[J]. 科技资讯 ， 2007，（26）
作者简介：薛仁龙（1982-），辽宁丹东人，工程师，毕业于沈阳工业大学机械专业，从事机械设计工作。
【关键词】液压支架 侧推机构 设计 有限元
一、问题描述
液压支架结构有限元分析属于大型复杂装配体的分析，普遍存在于模型导入困难、分析速度慢、结果稳定性差等不足。现采用ANSYS Workbench软件平台来完成支架的部件有限元分析的工作。
二、分析思路
（一）液压支架部件模型简化和处理，保证模型能够导入workbench中进行计算【1】。
（二）按照《MT 312-2000液压支架通用技术要求》，给液压支架部件模型加上相应工况的垫块。
（三）新型侧推机构为支架顶梁内主筋从侧推轴线向盖板方向贯穿开豁口，为侧推油缸构建开放的空间。同时，在被弱化的两内主筋旁重建同类结构，补充被削弱的两内主筋，并在两侧盖板下增加10mm厚的盖板进行加强。
三、液压支架模型处理
对Pro/E各部件模型进行简化得到液压支架部件三维图和各项载何数据后，应首先对模型进行简化，并对液压支架进行干涉检查。对液压支架各部件模型进行干涉检查，保证各部件进行没有干涉。 简化各部件模型，删除掉包括用于避让焊缝的倒角、对受力影响可以忽略的倒圆角、对受力影响可以忽略的特征、用于坡口焊的倒角特征、因考虑制造误差或制造工艺人为引入的匹配间隙、防止漏砖矸而添加的弯板件、挡销座、弹簧套筒；补充斜盖板与横筋之间搭接间隙，避免生成线面接触或点面接触。最后得到的部件模型应该各板件之间面面接触、零间隙。图1、图2为常规结构与新型结构对比【2】
图1常规型侧推结构顶梁模型
图2新型侧推结构顶梁模型
各个部件模型处理完成后，导入WORKBENCH验证简化模型是否成功。
按照上述步聚简化完模型后，可能会由于操作人员的疏忽而造成模型简化不彻底。因此需将简化后的模型导入到workbench中进行验证模型是否简化彻底。进入workbench中的geometry环境，生成NEW PART。进入simulation中验证模型是否可行。验证完成后，进行网格划分。采用四面体与六面体共同分析网格划分质量，标准在于网格划分均匀分布。具体划分结果见图3。
图3网格划分网络图
四、顶梁有限元分析
支架工作阻力4200KN，主体材料q960，屈服强度为960MPa。本节将根据《MT 312-2000液压支架通用技术要求》的加载要求，顶梁以前扭转为例对其加载。通过计算软件，求出部件的最大应力及最大位移，验证支架机械合理性。
首先，将支架模型高度调整为2270mm（支架最大高度减去支架行程的1/3），将顶梁上端增加如图所示垫块。计算所施加的力的大小（立柱单根为2.1x106N）。垫块处施加固定约束（Fixed Support），未加垫块的顶梁或底座端加给无摩擦支撑（Frictionless Sapport）。
支架高度调整为2270mm（支架最大高度减三分之一行程），将顶梁上端增加如图所示垫块。计算所施加的内力的大小（立柱单根为2.1x106N）。垫块处施加约束（Fixed Support和Frictionless Sapport）。垫块具体位置考虑到液压支架结构特点去除中间应力过度集中位置。
五、顶梁分析结果
应用有限元分析软件ANSYS workbench进行分析。得出以下分析结果【3】。
顶梁前扭转图4、图5：
图4 常规型侧推结构顶梁应力云图
图5新型侧推结构顶梁应力云图
常规型侧推结构顶梁的侧推机构周围最大应力为637.71MP，出现在盖板开豁口处，新型侧推结构顶梁的侧推机构周围最大应力为788.83.43MP，出现在盖板开豁口处，因使用材料为Q960，应力在允许范围内。其他的部分均在550MP以下，支架的母材为Q960，许用应力为960MP，计算结果符合要求。两种型式的顶梁对比分析知：新型顶梁侧推处应力更趋于平均且较小，仅在两侧出现应力集中点而且在允许范围之内。进行位移分析得出位移云图6、图7，顶梁前扭转：
图6 常规型侧推结构顶梁位移云图
图7新型侧推结构顶梁位移云图
常规型侧推结构顶梁最大变形出现在顶梁右侧中部，最大变形为14.675mm：新型侧推结构顶梁最大变形出现在顶梁右侧中部，最大变形为16.981mm，趋势相同，变形变化不大【4】。
六、安全系数计算
表1为安全取值范围。
梁体危险截面弯矩校核
位置 弯矩M（NM） 应力σ（Mpa） 材料屈服极（Mpa） 安全系数
改前 顶梁前侧推处 3290970 695.85 960 1.38
顶梁后侧推处 3290970 675.15 960 1.42
改后 顶梁前侧推处 3290970 737.31 960 1.3
顶梁后侧推处 3290970 732.86 960 1.31
表1危险截面弯矩图
对顶梁侧推处截面进行安全系数计算，顶梁侧推截面处的弯矩取柱帽处的最大弯矩3290970.36 NM，可见，两种型式的安全系数变化不大且均符合安全系数要求。
七、结语
通过分析支架的顶梁的应力分布，可以快速确定支架在该工况下的高应力区，从而判断零部件是否处于危险工况。由于边界条件设定的原因，最大应力出现在支架与垫块接触的部位，但该高应力区实际工况中并不存在，因而可以忽略该局部高应力区。在分析中，发现一些凸显的应力高危区域，主要是应力集中造成的。因此推荐在设计与生产过程中，尽量避免形状的突变。对于在结构上避免不了的区域，也应适当添加圆角，减轻应力集中的影响。
通过分析，在加载相同边界条件的条件下，简化后顶梁的模型侧推机构周围应力分布情况比简化前顶梁应力稍大，但仍在材料许用应力范围内，且此种结构变形量也在许用范围内，故顶梁简化可行。有限元分析和安全系数计算结果知，新型侧推结构形式可行。
参考文献：
[1] 陈龙， 郑晓雯， 王仝杰， 李彩琴. 基于SolidEdge的液压支架顶梁优化设计系统[J]. 煤矿机械 ， 2002，（07）
[2]李秋生， 尹冬晨， 崔汉涛， 董润滋. 无活动侧护板顶梁结构设计[J]. 煤矿机械 ， 2006，（10）
[3] 王进军. 有限元法在支架强度设计中的应用[J]. 科技资讯 ， 2007，（26）
作者简介：薛仁龙（1982-），辽宁丹东人，工程师，毕业于沈阳工业大学机械专业，从事机械设计工作。