韩琳，刘英林

（1.太原理工大学机械工程学院，太原 030024；2.西山煤电（集团）有限责任公司设备租赁分公司，太原 030053）

基于三维实体模型的液压支架运动与静强度研究

韩琳1,2，刘英林1

（1.太原理工大学机械工程学院，太原 030024；2.西山煤电（集团）有限责任公司设备租赁分公司，太原 030053）

通过综合运用三维实体建模与分析软件Pro/E，建立了支顶支掩式液压支架的实体三维模型，并对该液压支架在工作过程中的运动轨迹进行了分析，对该模型的结构静力学通过HYPERWORK进行了分析，得出一些对于该液压支架优化设计的有益的结论。

液压支架；三维实体模型；运动轨迹；有限元分析

液压支架是矿井用来控制综合机械化采煤工作面矿山压力的关键设备，因此研制出的液压支架能否满足现场地质条件要求以及其本身所具有的工作性能可靠性，是矿井能否实现安全高效生产的关键一环。通过综合运用三维实体建模与分析软件Pro/E，本文建立了支顶支掩式液压支架的实体三维模型，并对该液压支架在工作过程中的运动轨迹进行了仿真，最后对该模型的结构静力学通过HYPERWORK进行了分析[1-5]。

1 支顶支掩式液压支架的三维模型

通过建立支顶支掩式液压支架的实体三维模型，不仅使其具有直观性，而且在更大的程度上能够实现对其零件的修改、调整以及装配，并在此基础上对其运动分析和静力分析将会更为准确。

本文通过Pro/E软件的功能模块对其零件建立三维实体模型，并在其零件装配过程中，施加完全约束装配于支架的顶梁、底座、掩护梁以及前后连杆之间，其余零件之间均采用部分约束装配。

2 运动分析

1）液压支架模型的干涉检查。通过Pro/E的Mechanism模块对所建立的支顶支掩式液压支架的实体三维模型进行运动分析。液压支架实际工作中的升、降、推、移等过程则是通过设置驱动来实现的，而液压支架支护工作的机械化则是通过液控系统驱动液压支架与其附属装置来实现的，而这两个部分之间的驱动又是通过伺服电动机驱动两者之间的连接轴处来实现的。

液压支架的运动分析是通过Pro/E软件中的分析测量模块来实现的，并选用全局干涉对其回放结果进行动态干涉检查。如若干涉区变亮，则说明干涉区中出现干涉，以此分析研究干涉区中出现干涉的原因并在此基础上对出现干涉的零件进行修改和编辑，而后对其重新进行干涉检查。

2）液压支架模型运动轨迹分析见图1。图l为液压支架模型运动轨迹示意图。

为了便于计算，定义图中各个点的坐标分别为：O(0，0)，T(x，y)，A(x1，y1)，B(x2，y2)，C(a，-b)。

由此可得：OA的斜率为k1，BC的斜率为后k2。TB=s，DA=R，BC=r，λ=m/n。

以液压支架各零件之间的相互关系为基础建立方程联立求得T点的运动方程为：

运用上述公式得到A、B两点不同位置相应的坐标值，并对坐标值通过Excel表格处理得到液压支架顶梁的运动轨迹，见图2。

由图2得出：液压支架顶梁在1.5m～2.5m的工作高度范围内将发生-20mm～0.8m的向后运动，也就是支架顶梁的梁端距在0～12mm的范围内变化。根据对支架运动轨迹的分析结果可以得出，该液压支架的结构是合理的。

3 有限元分析

1）有限元分析是通过Pro/E软件的接口设置将其所建立的液压支架三维实体模型集成到HYPERWORKS中对不同载荷下液压支架顶梁应力变形等情况进行分析得出的。图3所示分别为F1=2 360 kN和F2=3 540 kN的两个集中载荷作用在液压支架顶梁上，图中F0=5 900 kN是液压支架伸缩立柱所产生的支撑力。图4和图5分别为对液压支架顶梁在图3的载荷作用下经过有限元分析所得到的应力云图和变形图。

由图3-图5可知，液压支架顶梁在受到图3所示的F1和F2的柱窝两端集中载荷的条件下将会在柱窝部位会出现应力集中的现象。此时液压支架顶梁所受到的最大应力为199MPa，最大变形出现在液压支架顶梁的前端部位，其最大值为1.315mm，该液压支架顶梁的长度大约为3m，因此能够满足液压支架正常工作的要求。

2）图6为F=900 kN的集中载荷作用在液压支架顶梁前端的示意图。对这种载荷状态下的顶梁进行有限元分析。图7和图8分别为对液压支架顶梁在图6的载荷作用下经过有限元分析所得到的应力云图和变形图。

由图6-图8可知，液压支架顶梁前端在受到图6所示的F的集中载荷的条件下将会在顶梁靠近柱窝的部位出现最大应力，其最大值为328MPa，最大变形出现在液压支架顶端部位，其最大值为59.23mm。

3）图9为F=1000 kN的集中载荷作用在液压支架顶梁中前端的示意图。对这种载荷状态下的顶梁进行有限元分析。图10和图11分别为对液压支架顶梁在图9的载荷作用下经过有限元分析所得到的应力云图和变形图。

由图9-图11可知，液压支架顶梁中前端在受到图9所示的F的集中载荷的条件下将会在顶梁靠近柱窝的部位出现最大应力，其最大值为359 MPa，最大变形出现在液压支架顶梁前端部位，其最大值为4.262mm。

4）图12为q=1.4 MPa的均布载荷作用在液压支架顶梁的示意图。对这种载荷状态下的顶梁进行有限元分析。图13和图14分别为对液压支架顶梁在图12的载荷作用下经过有限元分析所得到的应力云图和变形图。

由图12-图14可知，液压支架顶梁在受到图9所示q的均布载荷的条件下将会在顶梁靠近柱窝的部位出现最大应力，其最大值为596 MPa，最大变形出现在液压支架顶端部位，其最大值为19.96mm。

4 结束语

对比四种载荷情况下的有限元分析结果可以得出，液压支架顶梁在靠近柱窝附的部位出现应力值比较高的应力集中现象，其应力最大值可达596 MPa；最大变形出现在液压支架顶梁前端，其最大值为20mm。此外，液压支架顶梁靠近中部柱窝部位在承载集中应力时的应力分布比较合理，最大应力为359 MPa，最大变形量为4.3mm。

综上所述，有比较大的挤压应力和弯曲应力作用在液压支架的前排立柱与柱窝的载荷作用点或作用面上。由此在支顶支掩式液压支架的设计中，应该将具有足够强度的材料应用于该结构处以满足液压支架正常工作的要求。

［1］魏阳，王书义.基于Pro/E的机械系统运动仿真分析[J].现代机械，2001（5）：55-56．

［2］刘真祥.液压支架模拟测试系统模型[J].贵州大学学报（自然科学版），1999（4）：288-29l.

［3］王国法，徐亚军，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（1）：42-45．

［4］李楚琳，张胜兰.Hyperworks分析应用实例[M].北京：机械T业出版社，2008．

［5］毛昌明.基于现代设计方法的液压支架研究[D].太原：太原理工大学，2006．

Motion and Static Strength of Hydraulic Support Based on 3D Solid Model

HAN Lin1,2，LIU Yinglin1
(1.College of Mechanical Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; (2.Equipment Rental Company,Xishan Coal and Electricity Group,Taiyuan 030053,China)

3D solidmodeling and analysis software Pro/E was used to establish a 3D solidmodel for hydraulic support with standing roof and shield.Themotion trajectory of the support in operation was analyzed.Finally,the structural staticmechanics of themodel was studied by HYPERWORK and some beneficial conclusions for the support optimization were achieved.

hydraulic support;3Dsolidmodel;motion trajectory;finite element analysis

TD355

A

1672-5050（2015）05-0047-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.05.016

（编辑：薄小玲）

2015-06-18

韩琳（1974-），女，河北行唐人，在读工程硕士，高级工程师，从事煤炭生产管理工作。