液压支架总体结构设计
鲍鹏飞，曹彦楠，李建设
（三一重型装备有限公司，辽宁沈阳 110027）
摘要：介绍了ZY4200/14.5/32型两柱掩护式液压支架总体结构设计方法。应用Matlab软件进行参数优化和弯矩计算，利用Pro/E三维建模进行运动分析，使用ANSYS软件对液压支架总体结构进行有限元分析。为液压支架总体结构设计提供参考。 关键词：液压支架；Matlab；Pro/E；安全系数；有限元 1、液压支架主要技术参数 根据山西焦煤正益的矿井特点，研发了ZY4200/14.5/32型两柱掩护式液压支架。支架主要技术参数见表1。 表1 液压支架主要技术参数
支架总体设计方案：采用正四连杆结构
型式，支护方式采用及时支护；顶梁结构为
整体顶梁带铰接前梁，带护帮；底座为分体
式刚性结构，底座上配置抬底机构；立柱前方设置人行通道；推移装置采用倒装千斤顶长推杆结构。 2、确定液压支架变量
图1 液压支架简图
利用二次开发的Matlab软件对液压支架
各设计变量进行优化设计。液压支架设计变
量主要包括：顶梁与掩护梁的铰点变量L2、Y2；掩护梁前后连杆铰点变量Y0、Y1、Y5、Y6；底座前后连杆铰点变量Z1、Z2、Z3、Z4；前、后连杆长度变量G1、G2，如图1所示。
变量优化满足以下几点要求：①支架由高到低双纽线轨迹始终向前，并且摆动幅度
不超过100mm，；②掩护梁背角大于18°；③后连杆的水平夹角不超过85°；④前、后连杆力绝对值之和最小；⑤支架四连杆长度之和最小。⑥满足平均支护强度0.53MPa~0.6MPa，底座前端比压1.6MPa~2.3MPa。综合考虑最终优化出一组参数。 3、三维建模 根据优化的参数和技术协议的要求进行Pro/E三维建模（尽量选择骨架建模方式，
模型进行改动更方便快捷）。如图2所示。
模型建好后进行运动分析，确保支架在最高
和最低位置各零件间无干涉。
图2 三维模型
4、计算危险截面安全系数
应用Matlab软件分析摩擦系数f=0.2时顶梁、掩护梁、底座三大部件的最大弯矩和危险截面。利用Pro/E软件计算危险截面惯性矩和形心坐标。根据公式Ⅰ、Ⅱ计算安全
系数。通过计算得出：顶梁柱冒处截面安全
系数为1.26，掩护梁危险截面安全系数为2.58，底座柱窝处截面安全系数为1.20，均符合MT/T556-1996《液压支架设计规范》等相关标准要求。 σ= ………… Ⅰ n= ………… Ⅱ
式中：σ为危险截面处的屈服强度，MPa；M为最大弯矩，kN•mm；y为形心坐标，mm；Iz为截面惯性矩，mm，[σ]为材料屈服极限，460MPa，n为截面安全系数。
4
5、ANSYS有限元分析
根据MT-312《液压支架通用技术条件》中测试垫块位置的规定，在支架Pro/E简化模型的相应位置加入垫块。在立柱内部加载，底座底面和垫块表面添加位置约束，并考虑零部件的重力作用。
完成上述操作后，即可划分网格，进行有限元分析。这里以顶梁扭转为例，分析结果如图3所示。
行液压支架总体结构设计，其方法可为支架总体结构设计提供参考。
参考文献
[1]王国法，徐亚军，任怀伟，等。高端液压支架及先进制造技术[M]。北京：煤炭工业出版社，2010
[2]王国法。液压支架技术[M]。北京：煤炭工业出版社，1999
[3]李兵。ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M]。北京：清华大学出版社，2008
图3 支架顶梁扭转的整体应力分布
顶梁扭转主要是考察顶梁的强度。从图中可以看出，支架最大等效应力为1122.7MPa，出现在顶梁与垫块接触位置，这是由于顶梁的扭转变形使垫块尖角与顶梁顶板接触处出现的应力集中所致。除去因边界条件加载所造成的高应力区外，顶梁其他部分的最大应力在412MPa以下，未超出该支架所用材料Q460的屈服极限（460MPa），因此顶梁结构在扭转情况下是安全的。同样，采用其他加载方式分析掩护梁、前后连杆、底座都满足强度要求。 6、结语
本文以ZY4200/14.5/32型两柱掩护式液压支架为例，通过Matlab软件优化铰点参数、Pro/E三维建模及运动分析、危险截面安全系数计算、ANSYS有限元分析等步骤进
液压支架总体结构设计
鲍鹏飞，曹彦楠，李建设
（三一重型装备有限公司，辽宁沈阳 110027）
摘要：介绍了ZY4200/14.5/32型两柱掩护式液压支架总体结构设计方法。应用Matlab软件进行参数优化和弯矩计算，利用Pro/E三维建模进行运动分析，使用ANSYS软件对液压支架总体结构进行有限元分析。为液压支架总体结构设计提供参考。 关键词：液压支架；Matlab；Pro/E；安全系数；有限元 1、液压支架主要技术参数 根据山西焦煤正益的矿井特点，研发了ZY4200/14.5/32型两柱掩护式液压支架。支架主要技术参数见表1。 表1 液压支架主要技术参数
支架总体设计方案：采用正四连杆结构
型式，支护方式采用及时支护；顶梁结构为
整体顶梁带铰接前梁，带护帮；底座为分体
式刚性结构，底座上配置抬底机构；立柱前方设置人行通道；推移装置采用倒装千斤顶长推杆结构。 2、确定液压支架变量
图1 液压支架简图
利用二次开发的Matlab软件对液压支架
各设计变量进行优化设计。液压支架设计变
量主要包括：顶梁与掩护梁的铰点变量L2、Y2；掩护梁前后连杆铰点变量Y0、Y1、Y5、Y6；底座前后连杆铰点变量Z1、Z2、Z3、Z4；前、后连杆长度变量G1、G2，如图1所示。
变量优化满足以下几点要求：①支架由高到低双纽线轨迹始终向前，并且摆动幅度
不超过100mm，；②掩护梁背角大于18°；③后连杆的水平夹角不超过85°；④前、后连杆力绝对值之和最小；⑤支架四连杆长度之和最小。⑥满足平均支护强度0.53MPa~0.6MPa，底座前端比压1.6MPa~2.3MPa。综合考虑最终优化出一组参数。 3、三维建模 根据优化的参数和技术协议的要求进行Pro/E三维建模（尽量选择骨架建模方式，
模型进行改动更方便快捷）。如图2所示。
模型建好后进行运动分析，确保支架在最高
和最低位置各零件间无干涉。
图2 三维模型
4、计算危险截面安全系数
应用Matlab软件分析摩擦系数f=0.2时顶梁、掩护梁、底座三大部件的最大弯矩和危险截面。利用Pro/E软件计算危险截面惯性矩和形心坐标。根据公式Ⅰ、Ⅱ计算安全
系数。通过计算得出：顶梁柱冒处截面安全
系数为1.26，掩护梁危险截面安全系数为2.58，底座柱窝处截面安全系数为1.20，均符合MT/T556-1996《液压支架设计规范》等相关标准要求。 σ= ………… Ⅰ n= ………… Ⅱ
式中：σ为危险截面处的屈服强度，MPa；M为最大弯矩，kN•mm；y为形心坐标，mm；Iz为截面惯性矩，mm，[σ]为材料屈服极限，460MPa，n为截面安全系数。
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5、ANSYS有限元分析
根据MT-312《液压支架通用技术条件》中测试垫块位置的规定，在支架Pro/E简化模型的相应位置加入垫块。在立柱内部加载，底座底面和垫块表面添加位置约束，并考虑零部件的重力作用。
完成上述操作后，即可划分网格，进行有限元分析。这里以顶梁扭转为例，分析结果如图3所示。
行液压支架总体结构设计，其方法可为支架总体结构设计提供参考。
参考文献
[1]王国法，徐亚军，任怀伟，等。高端液压支架及先进制造技术[M]。北京：煤炭工业出版社，2010
[2]王国法。液压支架技术[M]。北京：煤炭工业出版社，1999
[3]李兵。ANSYS Workbench设计、仿真与优化[M]。北京：清华大学出版社，2008
图3 支架顶梁扭转的整体应力分布
顶梁扭转主要是考察顶梁的强度。从图中可以看出，支架最大等效应力为1122.7MPa，出现在顶梁与垫块接触位置，这是由于顶梁的扭转变形使垫块尖角与顶梁顶板接触处出现的应力集中所致。除去因边界条件加载所造成的高应力区外，顶梁其他部分的最大应力在412MPa以下，未超出该支架所用材料Q460的屈服极限（460MPa），因此顶梁结构在扭转情况下是安全的。同样，采用其他加载方式分析掩护梁、前后连杆、底座都满足强度要求。 6、结语
本文以ZY4200/14.5/32型两柱掩护式液压支架为例，通过Matlab软件优化铰点参数、Pro/E三维建模及运动分析、危险截面安全系数计算、ANSYS有限元分析等步骤进