基于Pro/E三维软件的薄煤层液压支架设计

　　在薄煤层液压支架设计中应用Pro/E 软件可以快速准确地确定薄煤层液压支架各种状态的动态参数，改善设计环境。可随时修改设计参数，使结果可视化，便于设计人员修改、确定设计方案，缩短研发周期。

　　引言

　　薄煤层液压支架是薄煤层综采配套设备主要设备之一，薄煤层支架最大高度一般不高于1.5 m，其伸缩比为2～3，并且要考虑采高限制，这就构成了薄煤层支架结构的独特性。在传统的设计方法中，存在难题：(1)很难检查支架在各个状态时的干涉现象;(2)液压支架的重心是随着支架的动作而动态变化的， 这对液压支架的井下运输及使用稳定性很重要;(3)液压支架的空间受力分析及空间力系在各个结构件间的分配问题。

　　采用先进的虚拟仿真技术代替传统的以二维力学模型设计为主的设计方法，将极大地缩短设计周期，降低成本。使产品在保证矿方要求的前提下，实现产品设计的一次性成功。

1、液压支架设计方法及注意问题

　　利用Pro/E 三维设计软件可在薄煤层液压支架的整个设计过程中随时动态地验证支架模型的各种空间位置关系、重心轨迹的动态变化及液压支架重量的核算。

　　采用自下而上建模方法，整个建模过程可表示为：新建装配体→选取草绘平面→绘制草图轮廓→进行特征创建→零部件的保存→重复创建其他零部件→装配体保存。

　　在液压支架各个零部件的模型创建完毕后， 进行整体装配。创建装配体文件，以默认方式调入底座，然后以底座为基准装配其他零部件，通过距离、对齐、同轴、角度等约束关系，约束零部件间彼此关系，完成整架模型的创建。

　　为了使分析结果更接近于真实，同时节省计算时间，利用Pro/Mechanica 进行分析前，对模型做以下假设：

　　(1)对于柱窝、柱帽等结构复杂的部件，应在不影响其强度的前提下简化特征;

　　(2)为使结果更接近于真实，应尽可能保留危险截面的模型细节;

　　(3)默认焊缝强度与母材强度等同，即部件肋板间为实体结构;

　　(4)去掉吊装孔、吊环等不影响强度的工艺特征;

　　(5)立柱及各千斤顶在装配体中进行装配，方便进行运动分析。

　　用Pro/E4.0 建立的ZY3500/7/13 型薄煤层液压支架模型如图1 所示。

图1 薄煤层液压支架模型

　　在整架模型建立后，进行干涉检验。分别在液压支架的最高位置及最低位置进行干涉检验，可以极大地降低模型设计时的出错率。Pro/E 可以根据设计者的意图，以不同于装配体的颜色显示发生干涉的部位， 以便设计者查找原因。设计者可以对Pro/E软件显示的干涉部位进行重新定义，直至没有干涉为止，最后反映到施工图纸。

　　可以利用Pro/E 自动完成支架重量统计和重心计算，并生成文字性报表。矿方一般要求薄煤层液压支架的重量在一定范围以内。支架的重量往往会影响支架的设计单位与生产厂家投标，这时准确的重量计算对支架的投标方来说就至关重要。只要在零件建模阶段进行材料定义，在装配体的环境下软件就会自动给出支架重量，迅速且准确。

　　在给矿方做方案演示时， 利用虚拟仿真技术，可以形象、动态地显示支架的每一个构造细节及彼此之间的配合关系和动作主次关系。虚拟仿真技术的采用可以把液压支架的结构及支架的运动特性客观地反映给不是支架设计专家的矿方审核人员。方便双方的交流和沟通。

2、液压支架强度分析

　　利用Pro/Mechanica 软件可对液压支架的模型进行有限元强度分析，得到应力、应变的集中区域，发现支架的危险部位及安全系数的规律，以便给设计者提供参考。

　　本文根据《MT312-2000 液压支架通用技术条件》进行液压支架有限元强度分析。模拟实际工况，采用外加载方式进行静强度分析计算。在计算中，采用外加载方式，外力通过垫块作用于顶梁，而将柱窝作为边界位移约束条件来处理。由于支架设计中， 销轴与销孔为间隙配合，所以其接触点随着加载方式和支架高度的不同而不同。在进行有限元分析时，省略接触问题，将销轴的间隙配合视为过盈配合，与梁体作为一个实体来进行有限元分析。

　　对ZY3500/7/13 型薄煤层液压支架模型的有限元分析按照《液压支架通用技术条件》规定的8 种加载方式分别进行：(1)顶梁两端集中载荷; (2)顶梁扭转;(3)顶梁偏载;(4)顶梁中部集中载荷;(5)底座两端集中载荷;(6)底座扭转;(7)柱窝试验;(8)水平加载。

3、结语

　　应用Pro/E 软件设计的ZY3500/7/13 薄煤层液压支架，极大地缩短了设计周期，并在图纸设计完成后一次投产成功。综采工作面一次安装配套成功，达到设计的要求。说明在薄煤层液压支架的设计过程中应用Pro/E 软件是可行的。