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液壓支架是實現(xiàn)采煤綜合機械化和自動化不可缺少的設(shè)備。滑移液壓支架結(jié)構(gòu)如圖所示，滑移液壓支架由前伸梁、頂梁、托梁、滑動梁和立柱組成，而托梁是一方形的箱體結(jié)構(gòu)，分前、后兩個托梁，由托梁連接框?qū)⑶昂髢赏辛合噙B。為了研究滑移液壓支架托梁可靠性的分析方法，研究中以滑移液壓支架為例，介紹了利用PRO/E軟件對液壓支架托梁建模與ANSYS軟件實現(xiàn)托梁的有限元分析相結(jié)合的方法。
模型采用PRO/E三維建模軟件構(gòu)件，所有尺寸均嚴格按照圖樣要求進行繪制。所建立的滑移液壓支架托梁模型如圖所示。由于圖形關(guān)于坐標(biāo)平面對稱，在進行ANSYS分析時選取模型的一半進行分析即可。在托梁其中一側(cè)的4個銷軸孔受均布載荷的拉力情況下，對支架托梁進行有限元力學(xué)分析，具體分析步驟如下：(1)定義單元類型，選擇StructualSolidBriek8node45；(2)定義材料屬性，材料彈性模量為2x105Pa，泊松比為0.3；(3)進行靜力學(xué)網(wǎng)格劃分；(4)設(shè)置邊界條件，在托梁與頂梁銷軸連接處的地方設(shè)置全約束，即Ux=0，Uy=0，Uz=0；(5)對托梁其中一側(cè)的4個銷軸孔施加均布載荷，并分析求解。托梁的節(jié)點應(yīng)力分布圖如圖所示，托梁偏載的位移等值圖如圖所示。從圖中可看出，在均布載荷的受力下，銷軸孔承受的應(yīng)力最大，通過查詢可知，最大應(yīng)力處的節(jié)點應(yīng)力值為225MPa，出現(xiàn)有明顯的應(yīng)力集中，并且已經(jīng)超過了材料的疲勞極限220MPa，極有可能造成托梁被拉斷、破裂等強度破壞形式。托梁的銷軸孔是應(yīng)力危險區(qū)，也是該結(jié)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)。因此，提高托梁的強度應(yīng)該從改善托梁的結(jié)構(gòu)做起，減少應(yīng)力集中，減小最大應(yīng)力。
根據(jù)滑移液壓支架的工作情況，工作面支架通過托梁連為整體，具有較強的整體性結(jié)構(gòu)，在支柱初撐力滿足要求的前提下，應(yīng)該保證支架不傾倒、不歪扭。而托梁薄壁板的受力集中現(xiàn)象比較明顯，受到強大拉力或者壓力時，孔的形狀大小都極容易產(chǎn)生變形。因此在不影響托梁套的連接情況下，在托梁的兩側(cè)分別加10mm厚的薄板固定，可以對受力情況有所改善，減小孔變形的機率。兩側(cè)增加10mm厚板的托梁模型如圖所示，經(jīng)ANSYS分析后的托梁節(jié)點應(yīng)力分布等值圖如圖所示。可以看出，最大應(yīng)力處的節(jié)點應(yīng)力值降為184MPa，比改進前減小了19%左右。在托梁薄板平面上的兩個孔間距越大，應(yīng)力集中越明顯，當(dāng)受到強大拉力時極容易產(chǎn)生變形等強度損壞。為提高強度、減小應(yīng)力集中的現(xiàn)象，減小孔間距可以對危險截面的受力情況有所改進。改進前托梁兩側(cè)軸孔間的距離為70mm，改進后其距離為60mm。減小兩側(cè)軸孔間距的托梁模型如圖所示，經(jīng)ANSYS分析后的托梁節(jié)點應(yīng)力分布等值圖如圖所示。可以看出，最大應(yīng)力處的節(jié)點應(yīng)力值降為187MPa，比改進前減小了巧%左右。在前兩個方案的基礎(chǔ)上，把二者結(jié)合起來，采納第1種方案在托梁的兩側(cè)分別加70mm厚的板，同時應(yīng)用第2種方案減小孔的間距，使托梁兩側(cè)軸孔間的距離由70mm減小到60mm。對托梁的結(jié)構(gòu)和受力進行改進，減小最大應(yīng)力及應(yīng)力集中。兩側(cè)分別加70mm厚板同時減小孔間距的托梁模型如圖所示，經(jīng)ANSYS分析后的托梁節(jié)點應(yīng)力分布等值圖如圖所示，托梁偏載的位移等值圖如圖所示。可以看出，最大應(yīng)力處的節(jié)點應(yīng)力值降為163MPa，比改進前減小了28%左右，應(yīng)力集中狀況得到改善回。綜上對比，該方案對改善托梁的結(jié)構(gòu)和受力是最有效的，改進后的托梁受力情況大大好轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)更加合理。
采用PRO/E軟件完成對滑移液壓支架托梁的三維建模，并在此基礎(chǔ)上逐步進行托梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進，然后用ANSYS軟件對托梁進行有限元力學(xué)強度分析。在不需要進行大量統(tǒng)計實驗的條件下得出了托梁在改進前后的應(yīng)力分布等值圖和偏載位移等值圖。這樣的設(shè)計過程不僅降低了研發(fā)成本、縮短了開發(fā)周期，而且提高了產(chǎn)品的設(shè)計效率和產(chǎn)品質(zhì)量，對滑移液壓支架整體的設(shè)計分析具有很好的指導(dǎo)意義。
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