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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備。滑移液壓支架結構如圖所示，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構，分前、后兩個托梁，由托梁連接框將前后兩托梁相連。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合的方法。
模型采用PRO/E三維建模軟件構件，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。由于圖形關于坐標平面對稱，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)進行靜力學網格劃分；(4)設置邊界條件，在托梁與頂梁銷軸連接處的地方設置全約束，即Ux=0，Uy=0，Uz=0；(5)對托梁其中一側的4個銷軸孔施加均布載荷，并分析求解。托梁的節(jié)點應力分布圖如圖所示，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，銷軸孔承受的應力最大，通過查詢可知，最大應力處的節(jié)點應力值為225MPa，出現(xiàn)有明顯的應力集中，并且已經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。托梁的銷軸孔是應力危險區(qū)，也是該結構件的薄弱環(huán)節(jié)。因此，提高托梁的強度應該從改善托梁的結構做起，減少應力集中，減小最大應力。
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構，在支柱初撐力滿足要求的前提下，應該保證支架不傾倒、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生變形。因此在不影響托梁套的連接情況下，在托梁的兩側分別加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。兩側增加10mm厚板的托梁模型如圖所示，經ANSYS分析后的托梁節(jié)點應力分布等值圖如圖所示。可以看出，最大應力處的節(jié)點應力值降為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，應力集中越明顯，當受到強大拉力時極容易產生變形等強度損壞。為提高強度、減小應力集中的現(xiàn)象，減小孔間距可以對危險截面的受力情況有所改進。改進前托梁兩側軸孔間的距離為70mm，改進后其距離為60mm。減小兩側軸孔間距的托梁模型如圖所示，經ANSYS分析后的托梁節(jié)點應力分布等值圖如圖所示�？梢钥闯�，最大應力處的節(jié)點應力值降為187MPa，比改進前減小了巧%左右。在前兩個方案的基礎上，把二者結合起來，采納第1種方案在托梁的兩側分別加70mm厚的板，同時應用第2種方案減小孔的間距，使托梁兩側軸孔間的距離由70mm減小到60mm。對托梁的結構和受力進行改進，減小最大應力及應力集中。兩側分別加70mm厚板同時減小孔間距的托梁模型如圖所示，經ANSYS分析后的托梁節(jié)點應力分布等值圖如圖所示，托梁偏載的位移等值圖如圖所示�？梢钥闯�，最大應力處的節(jié)點應力值降為163MPa，比改進前減小了28%左右，應力集中狀況得到改善回。綜上對比，該方案對改善托梁的結構和受力是最有效的，改進后的托梁受力情況大大好轉，其結構更加合理。
采用PRO/E軟件完成對滑移液壓支架托梁的三維建模，并在此基礎上逐步進行托梁結構的優(yōu)化和改進，然后用ANSYS軟件對托梁進行有限元力學強度分析。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力分布等值圖和偏載位移等值圖。這樣的設計過程不僅降低了研發(fā)成本、縮短了開發(fā)周期，而且提高了產品的設計效率和產品質量，對滑移液壓支架整體的設計分析具有很好的指導意義。
專業(yè)從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優(yōu)化│技術服務與解決方案
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