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支護平臺可以實現(xiàn)掘進頭支護構(gòu)件下截割時，載荷波動有較大隨機性，升降油缸提供拉力，機架受到向上力的作用，不利于整機的穩(wěn)定，因此，盡量考慮以橫擺截割為主輔以上下擺動截割。架設(shè)的完全機械化，改善掘進頭工作面的支護狀況，保證掘進工作安全生產(chǎn)，降低工人勞動強度。巷道掘進支護平臺中的工作平臺主要用于承載支護棚梁、腳架和工作人員，為主要結(jié)構(gòu)承載件。平臺支撐臂是工作平臺的主要控制件，可以實現(xiàn)工作平臺的上升與下降，從而將支護材料和工作人員送至相應(yīng)的位置。因此，正確分析平臺支撐臂的應(yīng)力特征，對于合理設(shè)計巷道掘進支護平臺有著重要的意義。本研究運用ANSYS Workbench有限元分析軟件，建立平臺支撐臂的有限元模型，對平臺支撐臂的各個部分受力和變形情況進行強度分析，克服了以往靠經(jīng)驗和模仿的設(shè)計狀態(tài)，提高設(shè)計效率和精度。
三維實體模型建立平臺支撐臂前端通過銷軸、平臺聯(lián)接頭和工作平臺相聯(lián)，后端通過銷軸和主梁相聯(lián)，同時后端又安裝大小液壓缸。依據(jù)以上所述平臺支撐臂配合需要的負載、行程等，設(shè)計了平臺支撐臂的三維結(jié)構(gòu)，如圖所示。平臺支撐臂由鋼板和加強肋焊接而成，減輕了整個巷道掘進支護平臺的重量，同時加強肋的使用保證平臺支撐臂的強度。在此基礎(chǔ)上，可以將平臺支撐臂三維圖生成二維圖，為下一步強度分析提供尺寸參考。
平臺支撐臂有限模型在SolidWorks中，將平臺支撐臂三維實體模型另保存為x_t格式，然后直接導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，ANSYS Workbench利用Solid186單元類型進行網(wǎng)格劃分獲得如圖所示的有限元模型。Solid186單元是20節(jié)點3D實體單元，每個節(jié)點有3個自由度，可以用來建立疊層殼或?qū)嶓w的有限元模型，每個單元最多允許有250層的等厚度材料層，允許沿厚度方向的變形斜率可以不連續(xù)，支持材料的非線性行為和大變形。材料選取平臺支撐臂使用材料為Q550合金結(jié)構(gòu)鋼，其彈性模量為210GPa，泊松比為0.29，密度為7850kg/m3，屈服強度為550MPa。
Q550屬于低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的塑性、韌性、耐腐蝕性和焊接性，可廣泛用于橋梁、船舶、高壓容器、起重機械、大型焊接件等。位移約束和載荷加載在本研究中，平臺支撐臂在工作平臺達到最大載荷情況下的應(yīng)力分布規(guī)律及變形情況，可將平臺支撐臂的一端固定，而平臺支撐臂控制工作平臺上升與下降，因此，在靠近主梁端處的銷軸孔施加3個方向的位移約束分別為Ux=0，Uy=0，Uz=0，在平臺支撐臂靠近工作平臺端處施加Y方向的壓力101kN及重力加速度。由位移云圖可知，平臺支撐臂最大變形出現(xiàn)在靠近工作平臺處，最大的變形為16.647mm，其次平臺支撐臂整體位移過渡比較均勻，沒有較大的變形，也不存在明顯的變形突變。由應(yīng)力云圖可知，平臺支撐臂最大應(yīng)力值為240.3MPa，出現(xiàn)在靠近主梁端和銷軸孔處，但是其值遠遠小于材料Q550的屈服強度550MPa。所以，其強度、剛度滿足安全要求，也說明平臺支撐臂的設(shè)計是合理可靠的。
本研究利用ANSYS Workbench軟件對支護平臺支撐臂進行強度分析，得到支撐臂在最大載荷下的應(yīng)力分布規(guī)律及變形情況。結(jié)果表明：支護平臺支撐臂的強度、剛度滿足安全要求，從而論證了支撐臂結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理，為平臺支撐臂下一步的優(yōu)化設(shè)計提拱了重要的理論依據(jù)。
專業(yè)從事機械產(chǎn)品設(shè)計│有限元分析│強度分析│結(jié)構(gòu)優(yōu)化│技術(shù)服務(wù)與解決方案
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