0引言

　　液壓支架主要用于支護(hù)采場(chǎng)圍巖，同時(shí)還要與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行。特別是由于采場(chǎng)圍巖的復(fù)雜性以及不同結(jié)構(gòu)類型液壓支架與不同類別的采場(chǎng)圍巖表現(xiàn)出的相互作用特性，從而導(dǎo)致液壓支架工況和特性的復(fù)雜性和隨機(jī)性。采場(chǎng)環(huán)境、開采方式和生產(chǎn)規(guī)模對(duì)液壓支架性能和指標(biāo)的要求不同，導(dǎo)致了液壓支架的系列和品種很多，給設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)了一定的困難。由于薄煤層液壓支架存在支架高度低、行人空間狹小和梁體薄等結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須采用緊湊設(shè)計(jì)，交叉布置才能滿足要求。

　　1傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在的問(wèn)題

　　目前薄煤層液壓支架傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法難于解決以下問(wèn)題:

　　(1)如何避免支架設(shè)計(jì)中出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，尤其是動(dòng)態(tài)干涉檢查問(wèn)題。

　　(2)如何確定支架重心，尤其是動(dòng)態(tài)中的中心軌跡變化問(wèn)題。重心的確定對(duì)于大傾角液壓支架設(shè)計(jì)非常重要。

　　(3)支架的整體受力分析，目前仍然依靠壓架試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。如果用數(shù)字化的形式進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，不僅減少了樣機(jī)試制費(fèi)用，同時(shí)還使設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品更加符合設(shè)計(jì)要求，保證產(chǎn)品性能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次性成功，縮短設(shè)計(jì)周期。

　　2應(yīng)用Solidworks設(shè)計(jì)

　　2.1設(shè)計(jì)分析

　　利用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件可對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析:包括實(shí)體造型、重量核算、確定重心、干涉檢查、圖紙尺寸檢驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)檢查等。

　　新建零件文件-選擇基礎(chǔ)特征命令-選擇參考面-繪制支架部件二維草圖輪廓-完成支架部件基礎(chǔ)特征的創(chuàng)建-添加支架部件其他特征-保存零件文件。

　　創(chuàng)建完支架所有部件模型后，開始對(duì)支架進(jìn)行裝配。在裝配環(huán)境中調(diào)人底座作為支架模型的基準(zhǔn)部件，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)它施加固定關(guān)系，通過(guò)面匹配、面對(duì)齊、軸對(duì)齊、聯(lián)接、角度等裝配關(guān)系，將后續(xù)調(diào)人的支架前連桿、后連桿、掩護(hù)梁、頂梁、立柱、千斤頂?shù)攘悴考来芜M(jìn)行裝配。

　　三維建模時(shí)需注意的幾個(gè)問(wèn)題:

　　(1)為節(jié)省時(shí)間和提高建模速度，各部件盡量采用單一實(shí)體方式，對(duì)于柱窩、柱帽由于形狀稍微復(fù)雜，可以考慮裝配方式。

　　(2)保留危險(xiǎn)部位的細(xì)小結(jié)構(gòu)。

　　(3)焊縫的聯(lián)接強(qiáng)度等于母材強(qiáng)度。

　　(4)略去工藝結(jié)構(gòu)和不影響強(qiáng)度分析的細(xì)節(jié)。

　　(5)立柱以及各種千斤頂?shù)幕钊透左w在總裝圖中裝配，方便進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

　　用SolidWorks建立的ZY2000/07/14液壓支架底座如圖1所示，總裝圖如圖2所示。

　　完成支架所有部件的裝配后，進(jìn)行干涉檢查。在制造樣機(jī)之前對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行三維樣機(jī)干涉檢查，使支架設(shè)計(jì)的出錯(cuò)率降到最低。Solidworks可以利用微機(jī)計(jì)算，自動(dòng)檢查干涉，分析產(chǎn)生干涉的原因，并形象顯示出來(lái)。對(duì)支架相關(guān)干涉的部位進(jìn)行編輯和修改，然后再次對(duì)支架進(jìn)行干涉檢查，反復(fù)數(shù)次，直至沒(méi)有干涉為止。

　　重量統(tǒng)計(jì)和重心計(jì)算也是利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行，有時(shí)礦方由于下井運(yùn)輸重量限制等原因，規(guī)定支架重量限制。支架廠家需要準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)重量來(lái)決策競(jìng)標(biāo)價(jià)格底線，以及生產(chǎn)成本核算，這時(shí)重量計(jì)算的準(zhǔn)確性就非常重要。三維自動(dòng)計(jì)算比人工統(tǒng)計(jì)既迅速又準(zhǔn)確。

　　在給礦方匯報(bào)方案時(shí)，利用支架三維實(shí)體模型和運(yùn)動(dòng)仿真，將支架的每一個(gè)部件結(jié)構(gòu)，每一層裝配關(guān)系，各種運(yùn)動(dòng)都清晰、直觀地顯示出來(lái)。由于礦方審核人員往往不是支架專業(yè)人士，對(duì)支架二維方案圖缺乏三維想象力，這樣三維實(shí)體模型使他們有了更感性的認(rèn)識(shí)，方便交流和溝通。

　　2.2應(yīng)力分析

　　利用Cosmos/works有限元分析軟件可對(duì)支架數(shù)字實(shí)體模型進(jìn)行應(yīng)力分析，找到應(yīng)力分布規(guī)律，確定安全系數(shù)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸。

　　目前支架應(yīng)力分析方法通常采用傳統(tǒng)的材料力學(xué)和彈性力學(xué)來(lái)進(jìn)行分析。傳統(tǒng)計(jì)算方法主要進(jìn)行平面力系計(jì)算，空間力學(xué)計(jì)算比較困難，而且無(wú)法處理一些結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度問(wèn)題，如過(guò)橋的強(qiáng)度分析，使得計(jì)算簡(jiǎn)略而缺乏可靠性。

　　當(dāng)前比較先進(jìn)的強(qiáng)度分析方法是有限元法，有限元法是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值方法，它是將彈性理論、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件有機(jī)地結(jié)合在一起的一種數(shù)值分析技術(shù)，由丁它快速、高效地解決了許多學(xué)科和實(shí)際工程問(wèn)題，因而得到逐步的推廣應(yīng)用。

　　支架有限元強(qiáng)度計(jì)算以液壓支架通用技術(shù)條件為依據(jù)。根據(jù)實(shí)際需要，進(jìn)行靜力強(qiáng)度計(jì)算。加載方式采用組合加載方式進(jìn)行計(jì)算，相對(duì)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)出液壓支架的安全性。

　　在計(jì)算中不把墊塊的作用力當(dāng)作外力來(lái)考慮，而是把墊塊的作用力當(dāng)作邊界條件來(lái)處理。由于將墊塊作為結(jié)構(gòu)的邊界約束條件來(lái)處理，因此，對(duì)于掩護(hù)式支架來(lái)說(shuō)，其外載只有立柱對(duì)頂梁、底座柱窩所加的載荷。由于柱窩同立柱的作用屬于接觸問(wèn)題，處理起來(lái)較為復(fù)雜，因此假定立柱傳遞給柱窩的外力均勻作用于柱窩表面。

　　支架結(jié)構(gòu)中銷孔與銷軸間的接觸點(diǎn)，隨著加載方式和支架高度的不同而不同。在整架計(jì)算時(shí)，省略接觸問(wèn)題，將銷軸件簡(jiǎn)化為梁元米進(jìn)行計(jì)算。

　　支架模型為實(shí)體模型。為了減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量，節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，在建模時(shí)可以作必要的簡(jiǎn)化。對(duì)ZY2000/07/14結(jié)構(gòu)件三維實(shí)體模型裝配體的分析，按照以下9種加載方式分別進(jìn)行:(1)頂梁偏載;(2)頂梁偏載與底座扭轉(zhuǎn);(3)頂梁偏載與底座集中載荷;(4)頂梁扭轉(zhuǎn);(5)頂梁扭轉(zhuǎn)與底座集中載荷;(6)頂梁兩端集中載荷;(7)頂梁中部集中載荷;(g)底座扭轉(zhuǎn);(9)底座兩端集中載荷。

　　以第(2)種情況為例，經(jīng)過(guò)材質(zhì)參數(shù)定義、網(wǎng)格劃分、定義邊界條件(約束和加載)、運(yùn)行應(yīng)力計(jì)算等步驟，計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖3所示。

　　通過(guò)對(duì)9種計(jì)算結(jié)果分析，總結(jié)如下:

　　(1)柱窩附近和墊塊附近的應(yīng)力值都較高;

　　(2)頂梁偏載時(shí)，頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿上的應(yīng)力都較大;

　　(3)頂梁中間加集中載荷時(shí)，頂梁上應(yīng)力值較大，其余構(gòu)件應(yīng)力則小得多;

　　(4)頂梁3點(diǎn)加載時(shí)，前部加偏載時(shí)，最高應(yīng)力出現(xiàn)在前部柱窩附近肋板處與頂梁和掩護(hù)梁連接處;

　　(5)頂梁兩端加集中載荷時(shí)，頂梁上應(yīng)力較大，其他部件上的應(yīng)力值相比要小得多;

　　(6)底座3點(diǎn)加載時(shí)，前部加偏載時(shí)，則最高應(yīng)力區(qū)位于過(guò)橋處;

　　(7)前、后連桿的應(yīng)力值在頂梁加偏載時(shí)和3點(diǎn)加載時(shí)應(yīng)力值較高。

　　通過(guò)對(duì)支架整架有限元應(yīng)力分析，找出支架應(yīng)力分布規(guī)律，即支架在頂梁偏載工況下受力狀況最為惡劣，表現(xiàn)為支架頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿和底座等處都有較大的應(yīng)力分布。為節(jié)省時(shí)間，可以著重加強(qiáng)頂梁偏載、3點(diǎn)加載(方墊塊位于頂梁后方)和底座扭轉(zhuǎn)(方墊塊位于底座前方)3種工況的分析。

　　支架強(qiáng)度分析表明，其最高應(yīng)力分布表現(xiàn)為區(qū)域性、局部性的存在，在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)在該區(qū)域施以高強(qiáng)度板材。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　應(yīng)用Solidworks軟件設(shè)計(jì)的ZY2000/07/14薄煤層液壓支架，在淄博礦務(wù)局埠村煤礦綜采工作面一次安裝配套成功，目前已正式投產(chǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，證明了在液壓支架設(shè)計(jì)中應(yīng)用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件是可行的。