超前支护装备实验模型设计

本科毕业设计（论文）中文题目超前支护装备实验模型设计副标题外文题目THEDESIGNOFTHEADVANCESUPPORTEQUIPMENTSEXPERIMENTALMODEL毕业设计（论文）共页（其中外文文献及译文页）图纸共张完成日期2014年6月答辩日期2014年6月摘要液压迈步式超前支护设备是一种用于掘进工作面的新型临时支护设备，它能保证掘进机的连续作业，实现掘进和支护同时进行，加快临时支护的速度，提高工作安全性。本文对该辅助支护设备的实验样机的机械结构进行了研究设计。首先阐述了超前支护设备的研究背景及意义，而后根据支护设备的结构和工作原理对其相应的实验样机的结构组成进行了设计分析，并绘制了整机装配图。然后根据支护设备的特点情况，对实验样机的各个主要参数进行计算并确定，而后对顶板及各支撑梁进行了力学特性分析和校核。最后根据确定的参数和建立的数学模型，应用ANSYS仿真分析软件，对设备的主要支撑部件进行了仿真分析。本论文的研究意义在于对这种新型的临时支护设备的实验样机进行研究分析，通过对超前支护设备的实验样机进行实验，来验证支护设备的合理性和可行性，为实现掘进工作面临时支护的自动化及智能化创造可能。关键词超前支护；力学分析；ANSYS仿真分析ABSTRACTMOVINGAHEADTYPEHYDRAULICSUPPORTEQUIPMENTISATEMPORARYSUPPORTFORNEWDEVICESHEADINGFACE,ITCANENSURECONTINUOUSOPERATIONROADHEADER,EXCAVATIONANDSUPPORTTOACHIEVETHESAMETIME,ACCELERATETHESPEEDOFTEMPORARYSUPPORT,IMPROVEWORKSAFETYPAPERPROTOTYPEOFTHEMECHANICALSTRUCTUREOFTHEAUXILIARYSUPPORTEQUIPMENTWERESTUDIEDDESIGNFIRSTDESCRIBESTHEBACKGROUNDANDSIGNIFICANCEOFADVANCESUPPORTEQUIPMENT,THENTHECOMPOSITIONACCORDINGTOTHESTRUCTUREANDWORKINGPRINCIPLEOFSUPPORTEQUIPMENTFORITSCORRESPONDINGEXPERIMENTALPROTOTYPESTRUCTUREWASDESIGNEDTOANALYZEANDDRAWTHEWHOLEASSEMBLYDRAWINGTHENACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHECASESUPPORTEQUIPMENT,THEMAINPARAMETERSOFTHEVARIOUSEXPERIMENTALPROTOTYPEWILLBECALCULATEDANDDETERMINED,ANDTHENTHESUPPORTBEAMSOFTHEROOFANDITSMECHANICALPROPERTIESWEREANALYZEDANDCHECKEDFINALLY,ACCORDINGTOCERTAINPARAMETERSANDMATHEMATICALMODEL,SIMULATIONANALYSISUSINGANSYSSOFTWARE,THEMAINACTIONWERESIMULATEDTHESIGNIFICANCEOFTHISPAPERISTOSTUDYTHISNEWPROTOTYPEFORTEMPORARYSUPPORTEQUIPMENTRESEARCHANDANALYSIS,THROUGHTOPROTOTYPEADVANCESUPPORTEQUIPMENTEXPERIMENTTOVERIFYTHERATIONALITYANDFEASIBILITYOFSUPPORTINGEQUIPMENT,EXCAVATIONWORKFORTHEREALIZATIONOFWHENFACEDWITHSUPPORTINGAUTOMATIONANDINTELLIGENCETOCREATEAPOSSIBILITYKEYWORDSFOREPOLING；MECHANICALANALYSIS；ANSYSSIMULATIONANALYSIS目录1绪论611选题背景及意义612国内外研究现状713发展趋势1114研究内容112实验样机总体方案设计1221实验样机概述1223整体结构设计12231支撑部件设计13232动力元件设计1424工作原理1425基本参数确定153力学特性分析1631顶板受力分析1632支撑梁受力分析17321纵向支撑梁受力分析17322横向支撑梁受力分析244支撑梁强度校核3041纵向支撑梁强度校核30411主支撑组30412副支撑组3242横向支撑梁强度校核33421主支撑组33422副支撑组365ANSYS仿真分析3851纵向支撑梁38511主支撑组38512副支撑组3952横向支撑梁40521主支撑组40522副支撑组411绪论11选题背景及意义超前支护设备是为了防止掘进过程中由于工作面超前压力过大而引起的巷道围岩变形、移动和破坏，而在掘进机前方进行支护的一种设备。目前我国的采矿工艺水平在不断提高和完善，但同时也凸显出了很多的问题，如掘进效率低，采掘比例失调等。根据调查资料显示，造成掘进效率低的主要原因是掘进和支护之间的不平衡，掘进的时间短而用于支护的时间长，通常工作面截煤时间只占1734，而支护时间却要占5066，使掘锚工序交替频繁，严重影响了掘进效率。目前我国的综合机械化开采方式普遍存在着超前压力较大的问题，工作面超前压力和沿倾斜方向支撑压力的叠加作用会引起巷道围岩的变形、移动和破坏，如果不能进行有效的支护，不仅影响工作面掘进效率，还可能导致很大的安全隐患。例如使工人在空顶条件下进行主要的工序，如打眼、支护、装煤等，极易造成冒顶伤亡事故。根据调查显示，在掘进事故中顶板事故约占80，由于掘进工作面顶板事故造成的死亡人数约占全国顶板事故死亡总人数的20。1为了防止这种由于空顶作业而产生的危险工况，我们研制了巷道超前支护设备。超前支护是保证隧道工程开挖工作面稳定而采取的超前于掌子面开挖的辅助措施的一种，可对巷道进行临时支护，改善顶板的管理，保证正规循环作业，保证人和掘进机的安全，有助于改善掘进效率低、作业安全性差的技术难题。因此，研制一种适应快速推进的巷道超前支护设备显得尤为重要，对提高煤矿经济效益和社会效益有着重要意义。因为任何设计完成的机器在进行生产和工作之前，都需要进行多次的实验和模拟，所以研究巷道超前支护设备时，必须先研制超前支护设备的实验样机。设计时使实验样机在设定工况下工作，模拟超前支护设备实际的工作情况，以此来确定所设计的超前支护设备的合理性和可行性。实验样机是整个设计过程的开端和基础，很多设计时没有考虑到的因素和问题都是在实验样机上发现并解决的，所以实验样机对成功研制机械设备有着重要的作用和意义。12国内外研究现状在我国煤矿生产的主要灾害之一便是顶板意外冒落事故，顶板事故易造成作业人员伤亡，设备损坏，生产终止。煤矿顶板事故受顶板岩性、巷道断面形状和参数确定、支护形式等因素制约。在实际煤矿巷道断面设计、施工过程中，如何选择支护设备是确保安全生产重点考虑的问题。目前我国的煤矿巷道超前支护技术长期滞后，初撑力低下，安全隐患大，对于巷道断面面积大、巷道变形量大的复杂情况还难以应对。国际上，现有的超前支护技术其支护效果也不太理想。以下介绍几种我国现行的超前支护设备1机载式超前支护机载式超前支护可架设在掘进机上方与其配合使用，由于结构简单、操作方便，使得许多专家学者对其进行研究和探索。2008年徐锁庚对综掘工作面机载式临时护顶机进行了研究，阐述了机载式临时护顶机的主要结构、工作原理及其主要的技术参数，并介绍了该设备在煤矿井下的使用情况。2010年沈阳三一重型装备公司的王士伟、齐占波对掘进机机载临时支护机的应用背景进行了研究，给出了机载临时支护机设计原则，并分析了3种典型机载临时支护机的结构、动作过程及每种结构各自的优缺点，最后对机载临时支护机的技术发展进行了探究。2010年，山西潞安公司的李明发，李秀伟结合机载临时支护和人工临时支护在使用过程中出现的问题，总结了这两种临时支护方式各自的优缺点，通过对比分析，给出了选用临时支护方式应注意的问题，为临时支护方式的合理运用提供了建议，为机载临时支护装置的合理改进及广泛应用提供了宝贵的经验。2011年，张祖恒针对煤矿开拓掘进使用传统临时前探梁支护存在的诸多弊端，开发研制了一种机载快速支护装置，主要对机载快速支护装置的主要结构，工作原理，技术参数进行了设计，并阐述了机载快速支护装置的结构特点，技术关键及推广应用情况。2013年，山西唐安煤矿公司的李红勇对机载式超前支护的实际应用进行了研究，对目前所采用的巷道支护理论进行分析，着重介绍了机载式超前支护的结构原理、应用优点以及维护使用管理事项。2014年，中国煤炭科工集团太原研究院的王帅针对目前煤矿综掘巷道锚杆临时支护速度较慢的现状，结合悬臂式掘进机的结构和工作特点，研究了一种适合悬臂式掘进机的机载临时支护，该支护设备具有结构简单、操作灵活方便、支护面积大、支护强度高等特点，其液压操作系统与掘进机液压操作系统相互独立，不能同时工作，避免了掘进机误动作。该支护系统采用全液压驱动，与掘进机液压系统集成，可以支护矩形巷道、拱形巷道和梯形巷道等临时支护系统，且所有动作均可实现无线遥控操作，安全高效，提高了综掘巷道的支护效率和支护的安全性。机载式超前支护由底座、横梁、翻转梁、顶梁机构及配套的液压系统组成。机载式超前支护的工作原理是通过操纵操作阀使高压油液从掘进机自身的泵站中泵出，经液压分流阀对高压油液进行分流，使得超前支护在液压油缸的作用下实现提升，当顶梁接触顶板并起到支撑作用时，操纵阀换向，高压油液停止向液压油缸输送油液，完成超前支护的支护动作。机载式超前支护的液压系统通常与综掘机共用泵站，少数自备泵站，这就需要对泵站油路进行改造，通过安装二位三通阀使掘进机和支护设备互锁，使掘进机和支护设备液压系统互不干扰。掘进机液压系统中均装有多路阀液压元件，能够使得多路阀的中位机能起到阀组卸荷的作用，从而使超前支护的油缸工作压力直接由多路阀中的溢流阀调定，起到安全保护作用。2机载式超前支护能够随掘进机一起行走，改变了传统的临时支护形式，提升了生产工艺和掘进效率，加快了掘进速度。且操作阀及管路都较少，操作简单，易于维护。但机载式超前支护液压系统较多采用手动操作控制方式，使用电液控制的所占比例极低，无法实现程序化控制。如图11为掘进机机载超前支护设备。图11掘进机机载超前支护设备2自移式巷道支架随着我们对超前支护设备的研究逐渐深入，自移式超前支护得到了一些专家和学者的关注并在一定程度上得到了较大的发展，在自移式巷道支架的设计与研究方面，一些学者对回路设计、选型分析以及整体液压系统进行了较为深入的研究。在液压系统设计与研究方面，2005年王永安展开了初步研究，提出采用自移式超前支护液压支架对综掘工作面端头进行超前支护，并提出将虚拟样机技术应用到液压支架的设计开发中。王永安详细阐述了虚拟样机技术、国内外液压支架的发展状况以及利用虚拟样机技术进行自移式超前支架开发的意义，并介绍了自移式超前支架的结构特点、承载原理以及自移式超前支架液压控制系统的特点和常用的液压基本回路，设计出了自移式超前支架的液压控制系统，提出了基于虚拟样机技术的液压控制系统的实现方法。3但由于在自移式巷道支架液压系统研究的初期，缺乏现成的设备作为参考，只能选择相似度较高的液压支架作为液压系统设计的参照物，导致王永安所设计的自移式巷道支架的液压系统和液压支架液压系统的基本回路比较相似，设计思想难以超越液压支架的液压系统。王永安对自移式巷道支架液压系统的研究没有在液压支架液压系统的基础上进行创新，没有对液压系统特性进行仔细的分析，导致液压系统的设计脱离了综掘工作面实际环境。2011年上海拓特机械制造厂的王永伟设计了一种ZFX1350型自移式巷道超前支护液压支架，对超前支护液压支架的性能、特点及相关参数进行了深入研究，并详细阐述了其制造过程中的工艺步骤、使用方法、使用效果和注意事项，该液压支架在姚桥煤矿7717的应用中取得了成功，并多次有效地防止了冒顶伤人事故的发生。相比之下，2012年辽宁工程技术大学的倪继勇在对自移式掘进机辅助支护设备液压控制系统的研究中，在回路设计、选型分析以及整体液压系统等方面进行的研究都比较深入。在设计液压系统前先分析了设备所处的环境，确定了设备的结构和工作原理，并进行了包括供液回路、差动回路、连锁回路等基本回路的设计。同时还应用MSCEASY5软件建立了自移式超前支护设备的仿真模型，并对其结果进行了可行性分析。4对液压系统和主要元件进行数学建模和仿真是对自移式巷道支架液压系统研究的重大进步，但这个进步主要是在设计方法和数学建模仿真方面，在将先进技术引入液压系统方面做得还不够。就目前来看，尽管少数井下采煤工作面顺槽处应用了自移式巷道支架，但在掘进工作面处依然没有得到应用，其还处于理论研究、样机研发及井下试验阶段，远远没有达到大规模应用的程度。如图12为自移式巷道支架设备。图12自移式巷道支架设备总体来看，巷道超前支护技术的发展十分迅速，自动化程度高，初撑力及支撑强度大、更加适应地质条件、更加方便使用的超前支护设备更具有发展前景。虽然我国在支护设备研制方面虽然取得了一定的成效，但基本上还没有达到大量应用推广的阶段，不能满足煤矿的需要，还有许多问题亟待解决。13发展趋势我国的矿井支护设备经历了最古老的木支柱，到后来的人工矿柱，逐渐发展到注浆点柱、以锚杆为主体的系列支护、液压支架等，到现在已经研制出了许多类型的支护设备，以结构形式区分有前探梁临时支护、架棚机、自移式巷道支架以及机载锚杆钻机等；从用途上分，有适合综掘工作面的,也有适合炮掘工作面的；从移动方式上分，有手动和液压自移两种方式。这些支护设备虽然在一定程度上有效地提高了综掘效率，但均存在着一定的不足，如掘锚一体机无法适应我国煤矿巷道条件，机载超前支护护顶力低、护顶面积小，无法完全杜绝空顶作业，自移式超前支护存在重复支撑等问题。在今后的研究中应注重实现设备自移，与机器进行同步推进，机身结构方面要求结构简单，重量轻，易于操作。在支护原理方面要尽量保护、提高围岩的自身强度，通过改善围岩的应力分布状态来避免发生应力集中现象。支护设备还应向提高自动化程度发展，以减少工人的劳动量，对一些断面及不平整的地势应具有一定的适应性，支撑强度要提高，在掘进过程中也要保证推进方便省力。矿井支护设备是关系到我国矿山经济发展的重要产业，目前的支护设备虽然取得了一定的进展，但还有着很多的缺点有待改进，必须研究和设计出新型的工作面超前支护技术和设备。14研究内容本文所设计的是液压迈步式超前支护设备的实验样机，通过对实际的工作环境进行了解和分析，以机械设计、液压系统设计理论为指导，对实验样机进行设计。主要研究内容如下一、通过了解实际工况和设计要求，对实验样机的整体结构进行设计，并确定实验样机的工作原理和一些具体参数。二、对实验样机的机械结构进行设计，包括各组成部分及具体元件的设计。三、对与实验样机接触的直接顶、实验样机上的支撑梁和支撑立柱进行力学特性分析。四、对实验样机的支撑部件进行校核，包括横向及纵向的支撑梁和支撑立柱。五、应用ANSYS仿真分析软件，对设备主要的动作包括立柱的升降、横向及纵向支撑梁的升降进行仿真分析。2实验样机总体方案设计21实验样机概述液压迈步式超前支护实验样机是为了模拟实际机器的工况进行实验而设计，在结构上对超前支护设备进行了简化，样机的整体尺寸按比例缩小，工作阻力也相应的减小。实验样机采用整体框架式结构，主要由主支撑组、副支撑组、油缸和立柱等组成，依靠主、副支撑组对顶板的交替支撑实现迈步移动，随掘进机同步向前推移，进行支护。22实验样机设计要求通过对超前支护设备所支护巷道的测量，巷道宽为4200MM，高为3800MM。所设计的实验样机对超前支护设备按比例进行了缩小，在巷道也按比例缩小的情况下，实验样机须能满足对缩小后巷道的支护。最终确定巷道按比例缩小后尺寸为宽1400500MM，高11001200MM。23整体结构设计实验样机采用整体框架式结构，主要由支撑部件、动力元件、控制元件和辅助部件等主要部分组成，其中，支撑部件由主、副支撑组、连杆机构、顶部小支撑油缸和底座等组成；动力元件由立柱和支撑油缸组成；控制元件包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀；辅助部件包括导向板等。231支撑部件设计支撑部件主要由纵向支撑梁、横向支撑梁、顶部小支撑组和整个实验样机的底座等部分组成。实际工作时有定支护和迈步支护两种支护形式，定支护时主、副支撑组同时对顶板进行支撑，一起承受顶板的压力，迈步支护时随着掘进工作面的向前推移，主、副支撑组进行交替支撑，保证行进时总有一组与顶板接触，承担顶板压力。纵向支撑梁有5根，将5根纵向支撑梁从左到右依次编号为15号，在纵向支撑梁的垂直方向有4根支撑横梁，从前至后依次编号为69号，大致均匀分布在纵向支撑梁上，在支撑横梁的两端联接支撑油缸和连杆机构。其中1号、3号、5号纵向梁和6号、8号横向梁联接在一起作为实验样机的主支撑组，向前推进时一起移动，2号、4号纵向梁和7号、9号横向梁联接在一起作为实验样机的副支撑组，也保持同步移动。纵向支撑梁采用矩形钢材，尺寸为长80MM，宽40MM，壁厚5MM；横向支撑梁承重较大，采用方形钢材，尺寸为长80MM，宽80MM，壁厚5MM。为适应顶板的不平整性，要在支撑梁顶部放置一些小的支撑油缸，这些小支撑油缸可以通过调节各自的伸缩量来适应顶板的不平整性。使小支撑油缸大致均布在纵梁上，横梁、纵梁及小油缸的布置如图21所示。123456789图21232动力元件设计动力元件包括负责支撑横梁和纵梁的支撑油缸和立柱。支撑油缸布置在实验样机的两侧，一共8根，每侧有4根，油缸上方分别联接在支撑横梁的两端，下方连接立柱。对应于支撑油缸的立柱也有8根，在立柱的下方连接实验样机的底座。通过对支护高度的分析，经确定油缸的大致高度及横梁、纵梁厚度之后，确定立柱的高度为400500MM，实验样机工作时即通过调整支撑油缸的伸缩，来控制支撑梁和底座的升降。24工作原理液压迈步式超前支护设备实验样机主要由纵向支撑梁，横向支撑梁，支撑立柱，支撑油缸和底座等结构组成。实际工作时有定支护和迈步支护两种支护形式，定支护时8个支撑油缸全部伸出，主、副支撑组同时升起对顶板进行支撑，一起承受顶板的压力。随着掘进工作面的向前推移，由定支护变为迈步支护时，副支撑组对应的支撑油缸收缩，2号和4号纵向支撑梁下落与6号、8号横向支撑梁接触，此时支撑油缸继续收缩，利用对横向支撑梁的压力将与副支撑组相连的底座提起，推移油缸将整个副支撑组向前推移到一定距离后，副支撑组的支撑油缸伸长使2号和4号纵向支撑梁上升到原来位置，并使与之相连的立柱下降至地面，如此即完成一次迈步。主支撑组的前进过程与副支撑组相同，均为油缸收缩、向前推移、支撑梁上升、立柱下降，如此反复即可实现主、副支撑组对顶板的交替支护。交替支护保证行进时总有一组支撑与顶板接触，消除了空顶作业，使掘进工作面一直处于良好的支护状态下，提高了工作面的安全系数。25基本参数确定本次设计采用等比例缩小的办法对实际工况进行模拟，实验样机按14的比例设计，通过对支护设备的实际工况进行分析，再结合支护设备的一些参数，初步确定实验样机的一些具体参数，整理见表21。表21基本参数支护长度（MM）18001900支护宽度（MM）14001500支护高度（MM）12001300纵梁间隔（MM）200250横梁间隔（MM）400500立柱高度（MM）400500工作阻力（N）6350整机重量（T）5支撑立柱8根纵梁横截面长（MM）80纵梁横截面宽（MM）40横梁横截面长（MM）80横梁横截面宽（MM）60支撑梁壁厚（MM）53力学特性分析31顶板受力分析通过对与实验样机接触的直接顶的受力分析，建立力学模型，确定支护设备工作阻力的大小。实验样机的支护长度约为1800MM，支护宽度约为1500MM，支护面积约为27，通过查资料和经验估算，煤层容重R约为24T/，直接顶厚度H约为100MM，根据计算可得直接顶对样机的压力约为3M6350N。32支撑梁受力分析321纵向支撑梁受力分析3211主支撑组由于顶板对实验样机产生的压力是均布载荷，所以每个与顶板接触的小支撑油缸所受的压力是相同的。样机承担的重力约为6350N，在主支撑处在支撑状态、副支撑迈步行走的工况下，主支撑的12个支撑油缸支撑顶板重力，每个油缸所需最小支撑力为为529N。实验样机在主支撑状态下，1号、3号、5号纵向支撑梁的受力情况相同，在此仅对1号纵梁进行受力分析。在进行纵梁受力分析时，纵梁与横梁的铰接点可以看成是固定端，将梁体简化成简支梁模型，受力分析如图31。F3ABCDEFABF4F2F1360360360360360450550800FEYFFY图31将纵梁根据受力情况进行分段，然后利用截面法分别求各截面的剪力和弯矩，并绘制剪力图及弯矩图。计算过程如下（1）计算支反力设支座E与F处的铅垂支反力分别为和，由对顶板的受力分析可得EYFF，则由平衡方程NF5294321，0YF04321FYEF，AM0125807236FYEY431可得，NF96EY1F（2）计算各截面的剪力和弯矩选取A点形心为坐标原点，用坐标X表示各横截面的位置，用字母C表示各截面形心。截面取在AE段间，选取左段为研究对象由平衡方程，0YF01SF，CM36X1M可得，N5291S（360X450）04截面取在EB段间，选取左段为研究对象由平衡方程，0YF02S1EYF，CM036X45X21M）（可得，N3972S（450X720）620X截面取在BC段间，选取左段为研究对象由平衡方程，0YF0321EYSF，CM036X720X450X312EYMFF）（）（可得，N3S（720X1080）54M截面取在CF段间，选取右段为研究对象由平衡方程，0YF04FYFS，CM0X251X1FY4）（可得，N614S（1080X1250）7250X截面取在FD段间，选取右段为研究对象由平衡方程，0YF045FS，CMX1可得，N295S（1250X1440）760X（3）绘制剪力图及弯矩图根据上述所列平衡方程，可求得各截面的剪力值和各段起点、终点的弯矩值，绘制剪力图如图32所示，弯矩图如图33所示。100300500FS/N0X/MM200400600529397132661529图3220406080100M/NM0X/MM47660121005图333212副支撑组在副支撑处在支撑状态、主支撑迈步行走的工况下，副支撑的8个支撑油缸支撑顶板重力，样机承担的重力约为6350N，所以每个油缸所需最小支撑力为794N。实验样机在副支撑状态下，2号、4号纵向支撑梁的受力情况相同，在此仅对2号纵梁进行受力分析。在进行纵梁受力分析时，纵梁与横梁的铰接点可以看成是固定端，将梁体简化成简支梁模型，受力分析如图34。F3ABCDGHABF4F2F1360360360360360850150800FGYFHY图34将纵梁根据受力情况进行分段，然后利用截面法分别求各截面的剪力和弯矩，并绘制剪力图及弯矩图。计算过程如下（1）计算支反力设支座G与H处的铅垂支反力分别为和，由对顶板的受力分析可得GYFH，则由平衡方程NF794321，0Y04321HYG，AM01658807236HYGY431FFF可得，N97GY1H（2）计算各截面的剪力和弯矩选取A点形心为坐标原点，用坐标X表示各横截面的位置，用字母C表示各截面形心。截面取在AB段间，选取左段为研究对象由平衡方程，0YF01SF，CM36X1M可得，N7941S（360X720）2850截面取在BG段间，选取左段为研究对象由平衡方程，0YF02S1F，CM072X36X2M）（可得，N1582S（720X850）720截面取在GC段间，选取左段为研究对象由平衡方程，0YF0321GYSF，CM6X72X85X312GYMF）（）（可得，N389S（850X1080）30截面取在CD段间，选取右段为研究对象由平衡方程，0YF04HYFS，CM0X651X1HY4）（可得，N594S（1080X1440）08X截面取在DH段间，选取右段为研究对象由平衡方程，YFHY5FS，0CM0X16可得，N195S（1440X1650）2835X（3）绘制剪力图及弯矩图根据上述所列平衡方程，可求得各截面的剪力值和各段起点、终点的弯矩值，绘制剪力图如图35所示，弯矩图如图36所示。FS/N0X/MM5001000150079415881389595199图35100200M/NM0X/MM30040050028649217342图36322横向支撑梁受力分析3221主支撑组在进行横梁受力分析时，纵梁与横梁的铰接点可以看成是固定端，将梁体简化成简支梁模型。由于顶板对实验样机产生的压力是均布载荷，所以每个铰接点所受的压力是相同的。样机承担的重力约为6350N，在主支撑处在支撑状态、副支撑迈步行走的工况下，共有6个铰接点支撑顶板重力，每个铰接点所需最小支撑力为为1058N。实验样机在主支撑状态下，6号、8号横向支撑梁的受力情况相同，在此仅对6号横梁进行受力分析，受力分析如图37所示。F1F2F31051056006001051051200ABABCFBYFAY图37将横梁根据受力情况进行分段，然后利用截面法分别求各截面的剪力和弯矩，并绘制剪力图及弯矩图。计算过程如下（1）计算支反力设支座A与B处的铅垂支反力分别为和，由对顶板的受力分析可得AYFB，则由平衡方程NF1058321，Y0321BYAF，M16BY32可得，N587AYF1B（2）计算各截面的剪力和弯矩选取横梁左端点的形心为坐标原点，用坐标X表示各横截面的位置，用字母C表示各截面形心。截面取在AB段间，选取左段为研究对象由平衡方程，0YF01SYFA，CM05X5X1M可得，N5291S（105X705）4截面取在BC段间，选取左段为研究对象由平衡方程，0YF02S1AYF，CM75X15X15X22AYMF）（）（可得，N92S（705X1305）6034（3）绘制剪力图及弯矩图根据上述所列平衡方程，可求得各截面的剪力值和各段起点、终点的弯矩值，绘制剪力图如图38所示，弯矩图如图39所示。100200300400500FS/N0X/MM0600529529图38100200300400500M/NM0X/MM317图393222副支撑组在副支撑处在支撑状态、主支撑迈步行走的工况下，共有4个铰接点支撑顶板重力，每个铰接点所需最小支撑力为1588N。实验样机在主支撑状态下，7号、9号横向支撑梁的受力情况相同，在此仅对7号横梁进行受力分析，受力分析如图310所示。F1F24054056001051051200ABABFBYFAY图310将横梁根据受力情况进行分段，然后利用截面法分别求各截面的剪力和弯矩，并绘制剪力图及弯矩图。计算过程如下（1）计算支反力设支座A与B处的铅垂支反力分别为和，由对顶板的受力分析可得AYFB，则由平衡方程NF5821，0Y021BYAF，M0193BY1可得，N58AYFB（2）计算各截面的剪力和弯矩选取横梁左端点的形心为坐标原点，用坐标X表示各横截面的位置，用字母C表示各截面形心。截面取在AA段间，选取左段为研究对象由平衡方程，0YF01SYFA，CM5X1M可得，NF158S（105X405）6740XM截面取在AB段间，选取左段为研究对象由平衡方程，0YF02S1AYF，CM045X5X21M）（可得，N2S（405X1005）4760截面取在AB段间，选取右段为研究对象由平衡方程，0YF03SBYF，CMX51可得，N1582S（1005X1305）20734X（3）绘制剪力图及弯矩图根据上述所列平衡方程，可求得各截面的剪力值和各段起点、终点的弯矩值，绘制剪力图如图311所示，弯矩图如图312所示。500FS/N0X/MM015881000150020001588图311M/NM0X/MM100200300400500476图3124支撑梁强度校核41纵向支撑梁强度校核411主支撑组由于1号、3号、5号纵向支撑梁的受力情况相同，在此仅对1号梁进行强度校核。由1号梁的剪力图及弯矩图可知，1号梁的最大剪力出现在8号梁前侧及1号梁与8号梁铰接点处，大小为661N；1号梁的最大弯矩出现在1号梁与8号梁铰接点处，大小为1005NM。求出最大剪力和最大弯矩后，再结合截面形状即可求出最大弯曲正应力和弯曲切应力。1号梁为空心矩形钢，截面是一个长为80MM，宽为40MM，壁厚为5MM的薄壁矩形，截面形状如图41所示。804055图41（1）计算截面弯曲正应力该截面的惯性矩为内外长方形关于中性轴的惯性矩之差，ZI即47333102120740812BHMBH式中B截面外矩形长；H截面外矩形宽；B截面内矩形长；H截面内矩形宽；抗弯截面系数为ZW3571002YMI式中Y截面上距中性轴最远处到中性轴的距离所在弯矩作用下的最大正应力为MAXA57103MAXMPWZ（2）计算截面弯曲切应力横截面上不仅存在弯曲正应力，也存在弯曲切应力，弯曲切应力是由剪力产生的应力，其大小为AISFZ式中剪切力；SF截面上切力所在横线至边缘部分面积对中性轴的静矩；Z截面对中性轴的抗弯惯性矩；IA中性轴处截面宽度截面上的最大弯曲切应力在中性轴处，静矩为ZS361092053074082121MHBHBSZ式中B截面外矩形长；H截面外矩形宽；B截面内矩形长；H截面内矩形宽；壁厚弯曲切应力为A2940817269KPAISFZ根据第四强度理论，任意一点的应力5732MAXM支撑梁选用Q235钢材，Q235钢的抗拉强度为375MPA，屈服极限为235MPA，由于，1A375MP可知Q235钢的抗拉强度和屈服极限均大于1，因此在上述最大剪力及最大弯矩处，支撑梁的弯曲强度符合要求。412副支撑组由于2号、4号纵向支撑梁的受力情况相同，在此仅对2号梁进行强度校核。由2号梁的剪力图及弯矩图可知，2号梁的最大剪力出现在7号梁前侧及2号梁与7号梁铰接点处，大小为1588N；2号梁的最大弯矩出现在2号梁与7号梁铰接点处，大小为492NM。求出最大剪力和最大弯矩后，再结合截面形状即可求出最大弯曲正应力和弯曲切应力。2号梁也为空心矩形钢，截面尺寸与1号梁截面尺寸相同，截面形状如图41所示。（1）计算截面弯曲正应力该截面的惯性矩为内外长方形关于中性轴的惯性矩之差，ZI即47333102120740812BHMBH式中B截面外矩形长；H截面外矩形宽；B截面内矩形长；H截面内矩形宽；抗弯截面系数为ZW3571002YMI式中Y截面上距中性轴最远处到中性轴的距离所在弯矩作用下的最大正应力为MAXA43610592MAXMPWMZ（2）计算截面弯曲切应力横截面上不仅存在弯曲正应力，也存在弯曲切应力，弯曲切应力是由剪力产生的应力，其大小为AISFZ式中剪切力；SF截面上切力所在横线至边缘部分面积对中性轴的静矩；Z截面对中性轴的抗弯惯性矩；IA中性轴处截面宽度截面上的最大弯曲切应力在中性轴处，静矩为ZS361092053074082121MHBHBSZ式中B截面外矩形长；H截面外矩形宽；B截面内矩形长；H截面内矩形宽；壁厚弯曲切应力为A706810726958KPAISFZ根据第四强度理论，任意一点的应力432MAXM支撑梁选用Q235钢材，Q235钢的抗拉强度为375MPA，屈服极限为235MPA，由于，2375MP可知Q235钢的抗拉强度和屈服极限均大于，因此在上述最大剪力及最大弯2矩处，支撑梁的弯曲强度符合要求。42横向支撑梁强度校核421主支撑组由于6号、8号纵向支撑梁的受力情况相同，在此仅对6号梁进行强度校核。由6号梁的剪力图及弯矩图可知，6号梁的最大剪力从梁的中点开始分布在中点两侧，大小为529N；6号梁的最大弯矩出现在梁的中点处，大小为317NM。求出最大剪力和最大弯矩后，再结合截面形状即可求出最大弯曲正应力和弯曲切应力。6号梁为空心方形钢，截面是一个长为80MM，宽为60MM，壁厚为5MM的薄壁矩形，截面形状如图42所示。806055图42（1）计算截面弯曲正应力该截面的惯性矩为内外长方形关于中性轴的惯性矩之差，ZI即4633310127060812BHMBH式中B截面外矩形长；H截面外矩形宽；B截面内矩形长；H截面内矩形宽；抗弯截面系数为ZW35610041YMI式中Y截面上距中性轴最远处到中性轴的距离所在弯矩作用下的最大正应力为MAXA9810537MAXMPWMZ（2）计算截面弯曲切应力横截面上不仅存在弯曲正应力，也存在弯曲切应力，弯曲切应力是由剪力产生的应力，其大小为AISFZ式中剪切力；SF截面上切力所在横线至边缘部分面积对中性轴的静矩；Z截面对中性轴的抗弯惯性矩；IA中性轴处截面宽度截面上的最大弯曲切应力在中性轴处，静矩为ZS35108207076082121MHBHBSZ式中B截面外矩形长；H截面外矩形宽；B截面内矩形长；H截面内矩形宽；壁厚弯曲切应力为A132081425965KPAISFZ根据第四强度理论，任意一点的应力92MAX3M支撑梁选用Q235钢材，Q235钢的抗拉强度为375M