基于UG 的液压支架掩护梁有限元分析

李翠勤，刘混举

（太原理工大学 机械工程学院，山西 太原 030024）

0 引言

液压支架能够可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区，防止矸石进入回采工作面和推进输送机。掩护梁前端和顶梁铰接，后端与前、后连杆铰接，并通过前、后连杆和底座构成液压支架中不可缺少的四连杆机构。该机构使液压支架在做上下运动时，掩护梁与顶梁铰接中心点的运动轨迹形成一个近似直线的双扭线，从而使液压支架具有一个合理、稳定的运动。本文对液压支架掩护梁进行了有限元分析，得到了掩护梁的应力和位移分布。

1 液压支架基本结构及受力分析

1.1 掩护式液压支架的基本结构

图1为掩护式液压支架的基本结构。

图1 掩护式液压支架的基本结构

1.2 液压支架简单平面受力分析

对支架结构受力进行平面力学分析，首先作如下假定：①将支架空间结构简化为平面杆系，并将箱形结构看作梁的结构件；②将顶梁、掩护梁及底座的载荷看作某种线性分布的载荷，而这种载荷是由计算出的集中载荷经换算而得到的；③支架各构件的受力情况是以支架处于最大高度时最为恶劣的工况作为计算基础，同时按不同的支架高度分级，取各部件的最大载荷对其进行强度计算；④进行强度计算时取顶梁与顶板在相对滑移时的摩擦系数f 为0.3。

支架受力简图如图2所示。图2中，Q 为垂直支撑合力；P 为立柱总工作阻力；PE为平衡千斤顶总作用力，推力取“＋”，拉力取“－”；Φ 角顺时针取“＋”，逆时针取“－”。

取顶梁和掩护梁为隔离体，各力对O1点（四连杆运动瞬心）取力矩平衡方程为：

水平和垂直坐标轴的力平衡方程分别为：

取顶梁为隔离体，各力对O 点取力矩平衡方程为：

由式（1）、式（2）、式（3）、式（4）可求出垂直支撑合力：

合力作用点为：

前连杆受力为：

后连杆受力为：

图2 支架平面受力示意图

参照ZY8800／17／35D 已知参数，平衡千斤顶受压力为1 450kN 时，掩护梁前、后连杆铰接孔处受力情况见表1。

表1 掩护梁前、后铰接孔处受力情况

参考表1所示不同支架高度时液压支架前、后连杆处受力，绘制出液压支架掩护梁与前、后连杆铰接点处的受力曲线，如图3所示。

图3 液压支架掩护梁铰接孔处受力曲线

对图3进行分析得知，随着支架高度的降低掩护梁铰接孔处受力（绝对值）总体处于下降趋势，当液压支架处于最高位置时掩护梁铰接孔处受力最大。考虑到以上分析结果，本文对液压支架高度为3 500mm 时掩护梁的受力情况进行有限元分析。

2 掩护梁实体模型的建立

液压支架掩护梁的实际结构相当复杂，通过UG建模时，在保证液压支架部件轴心的距离、相对位置和主要零部件尺寸不变的前提下，进行以下简化处理：①简化起加强作用的筋板；②省略为满足工艺要求而设置的圆角和孔；③省略侧护板；④省略或简化焊缝、螺纹以及管线等细节部分。

简化以后，结构原受载荷的能力保持不变，不会对整架主要结构件的受力状况产生影响，且可使有限元分析计算的CPU 时间适中，不耗费过多的时间。

本文通过简化处理，将掩护梁分为13个“组件”进行装配，完成后的掩护梁实体模型如图4所示。

图4 掩护梁实体模型

3 掩护梁的有限元分析

3.1 建立有限元分析模型

（1）定义材料属性：掩护梁材料为Q550，其屈服强度σs≥550 MPa，极限抗拉强度σb≥670 MPa。

（2）定义单元属性划分网格：本文选择实体单元类型对掩护梁进行网格划分，能够很好地模拟外载荷作用下的掩护梁。

3.2 定义仿真模型中的边界约束和载荷条件

（1）设置约束边界条件：约束掩护梁和顶梁铰接处三个方向的平面移动自由度。

（2）施加载荷：根据受力分析结果，通过内加载的方式确定受力节点和受力面；根据铰接处受力情况以及前面的计算将力加载在铰接孔线状分布的节点上。掩护梁的有限元分析模型如图5所示。

图5 掩护梁有限元分析模型

3.3 求解及其解算参数的设置

（1）编辑解算方案：勾选［迭代求解器］复选框，将其激活；单击［工况控制］选项卡，单击［Output Requests］右侧的创建模型对象图标，弹出［结构输出请求］对话框，激活［启用应变］选项。

（2）求解：单击［求解］命令，点［确定］开始求解，完成后双击［Result］，进入后处理界面。所得掩护梁应力云图如图6所示。

由图6可以看出，液压支架高度为3 500mm、额定载荷工况下时，掩护梁应力值分布在0 MPa～466.04MPa范围内。顶梁和掩护梁铰接孔以及掩护梁和前、后连杆铰接孔等处所受应力较大，其中最大应力发生在掩护梁和顶梁铰接孔处，其值为466.04MPa，掩护梁梁体应力较小，局部有应力集中现象。

图6 掩护梁应力云图

参考德国DBT 公司结构相近的Wsl.7型液压支架实测数据（测点分布如图6所示），绘制的应力分布拟合曲线如图7所示。由图7可以看出，仿真和实测的受力分布曲线相似，说明仿真与实际具有较好的一致性。由于分析时对掩护梁选取同一种材料以及对掩护梁模型的简化处理，所以分析结果与实际结果有一定的偏差。

4 结论

本文进行了液压支架掩护梁的受力分析，利用UG 建立了掩护梁的三维模型及有限元力学模型。通过UG 自带的高级仿真软件，得到了掩护梁的应力和位移分布。计算结果可用于修正设计，提高掩护梁结构的可靠性，为液压支架部件的结构优化奠定了基础。

图7 仿真与实测数据对比图

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