王新亞 韓會(huì)軍 范 迅

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

★煤炭科技·機(jī)電與信息化 ★

ZF-4000型液壓支架強(qiáng)度有限元分析

王新亞 韓會(huì)軍 范 迅

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)機(jī)電與信息工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083)

AbstractFocusing on a study on type ZF-4000/17.5/28HL powered support used in Liuw an coal m ine of Fenxi Group in Shanxip rovince,the technologiesof computer aided design and finite element analysis are combined to carry out a finite element analysison the hydraulic support by emp loying computer to simulate rationalized loads on the suppo rts.The overall stress and strain regularities of the hydraulic support are obtained,w hich p rovides important bearings on the further imp rovement of the design of the support and further enhancement of the overall strength of the hydraulic suppo rt.

Key wordshydraulic support,support strength,3-D modeling,finite element analysis, concentrated loads canopy,base tw isting

隨著三維設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用,我國(guó)液壓支架的設(shè)計(jì)已經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步,而有限元法的應(yīng)用也使液壓支架整體強(qiáng)度的分析變得快捷、可靠。使用有限元軟件對(duì)液壓支架進(jìn)行整體強(qiáng)度的有限元分析,可在液壓支架試驗(yàn)之前就得知設(shè)計(jì)中存在的不足和缺陷,進(jìn)而減少設(shè)計(jì)的時(shí)間和成本。

1 液壓支架三維模型建立

三維實(shí)體建模是在有限元分析的基礎(chǔ),進(jìn)行液壓支架的有限元分析。本文以柳灣礦 ZF4000/ 17.5/28HL型液壓支架為建模和分析對(duì)象對(duì)有限元法進(jìn)行說明。采用專業(yè)的三維設(shè)計(jì)軟件 Solid Edge對(duì)液壓支架進(jìn)行三維實(shí)體建模,再用ANSYS軟件對(duì)液壓支架的整體強(qiáng)度進(jìn)行三維有限元分析。

ZF4000/17.5/28HL型液壓支架的主要技術(shù)參數(shù):工作阻力為4000 kN;初撐力3518.6 kN;泵站壓力28.0 M Pa;支護(hù)高度1.75～2.8 m;中心距1.5 m;支護(hù)寬度 1.43～1.6 m;支護(hù)強(qiáng)度0.576 M Pa;對(duì)底板的比壓1.25 M Pa。

建立三維模型時(shí),首先要?jiǎng)?chuàng)建各零部件的草圖,然后再根據(jù)各自的基本特征和附加特征生成各零部件的三維實(shí)體模型,接著按照各零部件之間的裝配關(guān)系裝配好局部裝配體,最后再對(duì)各個(gè)局部裝配體進(jìn)行組裝,同時(shí)按照液壓支架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化原則對(duì)液壓支架計(jì)算模型進(jìn)行合理地簡(jiǎn)化。

液壓支架的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化原則是:主要部件的尺寸不改動(dòng);次要部件、受力小的部件,以及一些附件可以簡(jiǎn)化。因此,經(jīng)過簡(jiǎn)化后液壓支架的計(jì)算模型主要是由頂梁、上連桿、前連桿、后連桿和底座等重要承載部件組成,而挑梁、前梁、掩護(hù)梁和放煤機(jī)構(gòu)由于其受力相對(duì)較小,簡(jiǎn)化后不會(huì)對(duì)支架主要構(gòu)件的受力狀況產(chǎn)生大的影響。簡(jiǎn)化后的ZF4000/17.5/28HL型液壓支架總裝配體見圖1。

圖1 簡(jiǎn)化后的ZF4000/17.5/28HL型液壓支架總裝配體

M T312-2000《液壓支架通用技術(shù)條件》中規(guī)定了液壓支架在進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)高度為液壓支架的最大高度減去最大高度與最小高度差值的三分之一。具體到本文中,液壓支架在承受各種載荷工況時(shí)的試驗(yàn)高度為2450 mm。

2 整架強(qiáng)度有限元分析

2.1 有限元分析前處理

將簡(jiǎn)化后的液壓支架實(shí)體模型保存為.sat文件格式,然后再導(dǎo)入到有限元分析軟件ANSYS中。相應(yīng)的液壓支架的材料特性參數(shù)分別為:彈性模量為 2.06×105M Pa;剪切模量 0.79×105M Pa;泊松比0.3;密度7.85×103kg/m3。

選取三維8節(jié)點(diǎn)四面體結(jié)構(gòu)實(shí)體單元solid45對(duì)相應(yīng)的實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

ZF4000/17.5/28HL型液壓支架在高度為2450 mm時(shí)被劃分為400122個(gè)單元和111028個(gè)節(jié)點(diǎn),其網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

圖2 ZF4000/17.5/28HL型液壓支架的有限元網(wǎng)格劃分圖

根據(jù)M T312-2000《液壓支架通用技術(shù)條件》的規(guī)定,液壓支架強(qiáng)度試驗(yàn)采用內(nèi)加載方式。所以,該載荷是按照液壓支架工作阻力4000 kN的1.2倍分別施加到液壓支架的頂梁和底座的各個(gè)柱窩上。

本文選取較具有代表性的兩個(gè)工況——頂梁兩端集中載荷和底座扭轉(zhuǎn)進(jìn)行分析。

2.2 有限元分析結(jié)果

(1)頂梁兩端集中載荷。液壓支架在頂梁兩端集中載荷工況下的總體位移云圖見圖3。由圖3可知,液壓支架在頂梁兩端集中加載工況下的總體位移分布規(guī)律為:頂梁中部的位移最大,為2.021 mm,且向頂梁兩端逐漸減小,而其他部件的位移很小。此時(shí),頂梁沿支架縱向的整體變形呈弓形。

液壓支架在頂梁兩端集中載荷工況下的應(yīng)力云圖、頂梁的應(yīng)力云圖及各部件應(yīng)力云圖見圖4、圖5和圖6。經(jīng)分析可知,液壓支架在頂梁兩端集中加載工況下應(yīng)力的分布規(guī)律為:上連桿與前連桿聯(lián)接銷孔處最大應(yīng)力值為195 M Pa,而相應(yīng)的前連桿聯(lián)接銷孔處的應(yīng)力值為189 M Pa,頂梁右側(cè)前柱窩附近的第1個(gè)主筋板處的應(yīng)力值為179 M Pa,頂梁兩端加墊塊處的應(yīng)力值為115 M Pa左右,柱窩處的應(yīng)力值為79.2 M Pa,后連桿與上連桿聯(lián)接銷孔處的應(yīng)力值為43.7 M Pa。這些應(yīng)力在乘以安全系數(shù)1.2后,均小于液壓支架材料16 M n的屈服強(qiáng)度340 M Pa,因此,液壓支架在頂梁兩端集中加載工況下可以正常工作。

圖6 液壓支架在頂梁兩端集中載荷工況下各部件應(yīng)力云圖

(2)底座扭轉(zhuǎn)。液壓支架在底座扭轉(zhuǎn)下的總體位移云圖見圖7。由圖7可知,液壓支架在底座扭轉(zhuǎn)工況下總體位移的分布規(guī)律為:底座右底板右前端的位移最大,其值為3.294 mm,且向四周逐漸減小,上連桿、前連桿和后連桿處均有較小的位移,而其他部件的位移很小。

液壓支架在底座扭轉(zhuǎn)下的應(yīng)力云圖、底座的應(yīng)力云圖及各部件應(yīng)力云圖見圖8、圖9和圖10。分析可知,液壓支架在底座扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力分布規(guī)律為:底座右側(cè)第2個(gè)主筋板與過橋聯(lián)接處的最大應(yīng)力值為336 M Pa,上連桿與前連桿聯(lián)接銷孔處的應(yīng)力值為302 M Pa,前連桿與上連桿聯(lián)接銷孔處的應(yīng)力值為285 M Pa,這些應(yīng)力在乘以安全系數(shù)1.2后,均大于液壓支架材料 16 M n的屈服強(qiáng)度340 M Pa;而后連桿與上連桿聯(lián)接銷孔處的應(yīng)力值為93.8 M Pa,頂梁與上連桿聯(lián)接銷孔處的應(yīng)力值為88.3 M Pa,這些應(yīng)力在乘以安全系數(shù)1.2后,均小于液壓支架材料16 M n的屈服強(qiáng)度340 M Pa。因此,液壓支架在底座扭轉(zhuǎn)工況下已不能正常工作,建議將應(yīng)力較大處的相應(yīng)主筋板的材料更換為屈服強(qiáng)度大于或等于550 M Pa的高強(qiáng)度鋼板。

3 結(jié)論

利用三維設(shè)計(jì)軟件 Solid Edge對(duì)柳灣礦ZF4000型液壓支架建立了三維實(shí)體模型,又用ANSYS軟件對(duì)液壓支架的整體強(qiáng)度進(jìn)行了三維有限元分析,得出了液壓支架的位移、應(yīng)力云圖。

(1)結(jié)合液壓支架的實(shí)際工況,對(duì) ZF4000液壓支架進(jìn)行三維建模,在建模的過程中,進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化,便于后續(xù)的有限元分析,且建模結(jié)果可行。

(2)在該液壓支架的設(shè)計(jì)過程中,在條件允許的情況下,支架頂梁、上連桿、前連桿、后連桿和底座的各主筋板處以及底座過橋處均建議采用屈服強(qiáng)度大于或等于550 M Pa的高強(qiáng)度鋼板,以避免在各聯(lián)接銷孔處發(fā)生塑性變形,從而保證該液壓支架的正常使用。同時(shí),建議適當(dāng)加大頂梁和底座各主筋板處的過渡圓角以及過橋處的過渡圓角,以減小相應(yīng)的應(yīng)力集中,改善該處的應(yīng)力狀況,從而保證該液壓支架的正常使用。

[1]王國(guó)法.液壓支架技術(shù) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1999

[2]張大海.液壓支架裝配聯(lián)結(jié)部接觸有限元分析 [D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué) (北京)碩士學(xué)位論文,2008(5)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Fin ite elemen t analysis of the strength of ZF-4000 hydraulic support

以汾西柳灣礦ZF4000/17.5/28HL型液壓支架為研究對(duì)象,將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與有限元分析技術(shù)相結(jié)合,利用計(jì)算機(jī)模擬液壓支架在合理受載的基礎(chǔ)上,對(duì)其進(jìn)行有限元分析,得到液壓支架整體的應(yīng)力和應(yīng)變規(guī)律。

液壓支架 支架強(qiáng)度 有限元分析 集中載荷 支架頂梁 底座

Wang Xinya,Han Huijun,Fan Xun
(School of Mechanical Electronics&Information Engineering, China University of M ining and Technology,Beijing 100083,China)

B

王新亞,男,碩士,高級(jí)工程師,現(xiàn)任山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)副總經(jīng)理。