坚硬顶板大采高ZZ13000型液压支架受力分析.pdf

坚硬顶板大采高 ZZ13000/28/60 型液压支架受力分析 王明明， 武维承， 勾靖国 （山西大同大学煤炭工程学院，山西大同 037003 ） 摘要ZZ13000／28／60 型液压支架应用于同煤集团坚硬顶板条件下，针对支架的受力状况，建立了支架的三 维实体模型，分析了在偏载、扭转工况下支架的受力情况。 结果表明，ZZ13000／28／60 型液压支架适合同煤集团坚硬 顶板的要求。 关键词 坚硬顶板大采高；ZZ13000／28／60；支架受力分析 中图分类号 TD322＋．1文献标识码A 收稿日期 2011－12－06 作者简介 王明明 （1980－ ） ，男，山西右玉人，硕士，助教，研究方向矿山机械。 文章编号 1674－0874 （2012 ） 05－0065－03 第 28 卷第 5 期山西大同大学学报自然科学版Vol.28.No.5 2012 年 10 月Journal of Shanxi Datong UniversityNatural S c i e n c e Oct 2012 ZZ13000/28/60 型大采高液压支架是平阳重工 与同煤集团针对大同矿区厚煤层 “两硬” 条件坚硬 顶板、 坚硬煤层研制的适应 4 ～ 6 m 厚煤层综合机 械化开采的支护设备。 ZZ13000/28/60 支架的设计使用了先进的三维 计算机图形技术来完成液压支架的三维实体构建, 并运用仿真系统对模型进行静力学、运动学和系统 动力学仿真分析。支架 CAD/CAE 虚拟样机优化设 计仿真分析的基本步骤为 ⑴ 对液压支架进行三维实体构建； ⑵ 在仿真系统中对构建的液压支架模型施加 约束、设置材料属性、施加载荷等； ⑶ 对模型进行静力、动力及运动学仿真； ⑷ 对仿真结果进行分析, 看结果是否和设计 目标相一致, 如果一致则对模型结构进行有限元分 析, 从而完成对液压支架的优化设计。否则, 改进 液压支架的几何模型进而改变载荷函数, 再完成 上述内容。 1 支架虚拟样机的三维构建 根据液压支架工作现场状况和液压支架的一 般设计原则, 并结合前面对液压支架的受力和承载 能力分析的分析结果。 利用 CAD 软件建模工具构 建支架各主要元部件的实体模型，见图 1。 再根据 各组件的装配关系, 应用约束操作、前后处理模块 和装配功能完成液压支架整架的三维实体模拟样 机，见图 2。 由此产生了符合课题要求的支架运动 模型[1]。 图 1 底座和后连杆实体模型 图 2 液压支架三维整体模型 2 支架虚拟样机的受力分析 应用 CAD/CAE 软件系统对构建的液压支架三 维实体模型进行运动学仿真。 首先对实体模型进行 力学简化, 然后对其施加约束、设置材料属性、施 加载荷等。 其次对虚拟样机进行网格细化, 最后 对其进行仿真, 得出仿真结果。这样, 支架运动系 统及其元部件的设计就可以依据设计目标不断地 细化、改进。经过测试确认后, 支架运动特征就可 以在 CAD 环境中建立更精确的结构件三维实体几 何模型。 2 . 1简化模型 在对液压支架虚拟样机的有限元分析中, 液压 支架的前梁机构对液压支架的受力影响不大, 且支 架在柱窝处所受到的力相对复杂。将立柱从支架抽 离出来研究, 即可得出液压支架虚拟样机在有限元 分析的简化模型，见图 3。 图 3 液压支架简化模型 2 . 2材料属性、边界条件与载荷 1 ）材料与属性 虽然在液压支架设计中, 支架各处使用的钢材 不经相同, 但所用各种钢材的弹性模量、泊松比和 密度基本相同, 所以分析中应用同种材料特性 E 210 GPa, μ0.3, ρ7 850 kg m-3。 2 ）边界条件与载荷 在实际工作中, 液压支架承受工作面围岩的压 力载荷和立柱的支撑载荷。 依据 MT312-2000液 压支架通用技术条件 , 为了模拟不同的井下工况, 在型式试验中把垫块放置在支架的不同位置。在有 限元分析中, 支架受到垫块的作用力作为约束条件, 约束支架 3 个平移自由度; 4 根立柱对底座柱窝、 顶梁所施加的载荷为外载荷, 以等效力加在柱窝上; 由于立柱和柱窝之间为球面接触, 且分析中对球面 载荷的处理比较复杂, 根据圣维南原理, 等效简化 球面接触载荷, 施加不同的工况下在柱窝处的静载 荷并分析计算[2]。 3 ）部件铰接部位处理 液压支架的主体部件采用销轴铰接, 并且存在 间隙, 销轴与销孔间的接触点是变化的, 因此难以 给在某种加载方式下的精确接触边界。本文使用 ANSYS Workbench 中的 Joint接头项的 Revolute旋 转副 来处理各部件间的铰接关系, 而不做销轴 3D 模型, 这样的处理方法虽然不能准确地反映铰接处 的应力, 但对整体架型的应力分布影响较小, 符合 有限元分析的要求。 2 . 3网格划分 在分析中, 采用 ANSYS Workbench 中四面体 单元 Solid187 和六面体单元 Solid186 来划分实体; 利用四边形壳单元 Shell181 来划分壳体, 只对实常 数进行定义, 而不对偏置和截面定义。局部网格细 化应力集中部位和关注部位, 网格划分后生成 179 000 个单元, 350 000 个节点，见图 4，5。 图 4 前后连杆网格划分 图 5 液压支架网格划分 山西大同大学学报 （自然科学版 ）2012 年66 参考文献 [1]宁桂峰. 液压支架三维动态设计与力学仿真研究 [D]. 北京 煤炭科学研究总院, 2004. [2]王国法. 液压支架三维建模及其运动仿真 [J]. 煤炭科学技术, 2003, 311 42 - 45. （下转第 70 页 ） 2 . 4分析结果 1 ）顶梁扭转工况有限元分析结果 顶梁扭转的工况下, 分析垫块 2 种放置方法, 应力分布呈现的特点如下在垫块放置处出现最大 应力, 应力为 668 MPa, 此处不是分析关注区域, 无参考价值。内外主肋上的应力为 0200 MPa, 偏 载垫块靠近一侧的内主肋上出现最大应力;盖板上 应力为 0250 MPa, 最大值出现在前柱窝上, 最大 554 MPa 左右，见图 6。 图 6 顶板偏载受力分析 2 ）顶梁偏载工况有限元分析结果 顶梁偏载的工况下, 应力分布的特点 在偏载 垫块放置处出现最大应力 490 MPa, 此处不是关注 区域, 无参考价值; 内外主肋上应力为 0200 MPa, 偏载垫块一侧内主肋上出现最大应力; 各盖板上应 力为 0250 MPa, 最大值出现在前柱窝上, 最大 439 MPa 左右，见图 7。 图 7 顶梁扭转受力分析 偏载工况下, 掩护梁的应力状态十分恶劣, 应力分布的特点 出现在靠近偏载垫块一侧掩护 梁与顶梁的铰接孔上的最大应力为 260 MPa, 内 外主肋上应力为 0360 MPa, 最大应力在外主肋 的掩护梁与顶梁的铰接孔上; 盖板上应力为 0 230 MPa。 3 ）底座扭转工况有限元分析结果 底座扭转的工况下, 分析垫块 2 种放置方 法, 分布特点 最大应力在底座过桥上, 大小为 1 500 MPa, 放置扭转垫块处应力为 600 MPa;内 主肋上应力为 0350 MPa, 内主肋到大圆角处出 现最大应力, 大约为 350 MPa; 盖板上应力为 0 250MPa,最大值出现在前柱窝上, 最大 250 MPa， 见图 8。 图 8 底座受扭转工况受力分析 3 结论 在同煤集团坚硬顶板条件下, 在扭转、偏载 工况中, 支架的顶梁、底座受力均不超过支架材 料的屈服极限 690 Mpa。 ZZ13000/28/60 型液压 支架适合同煤集团坚硬顶板的要求。为我国在坚 硬顶板特大采高条件下一次采全高综采设备的应 用奠定了基础, 对实现大同矿区乃至我国其它地 区的坚硬顶板条件厚煤层的高产高效开采, 提高 资源回收率, 推动企业可持续发展具有十分重要 的意义。 王明明等 坚硬顶板大采高 Z Z 1 3 0 0 0 / 2 8 / 6 0 型液压支架受力分析2012 年67 （上接第 67 页 ） Stress Analysis of ZZ13000／28／60 Type Hydraulic Support in Hard Roof and Large Mining Height Conditions WANG Ming－ming，WU Wei－cheng，GOU Jing－guo （School of Coal Engineering，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037003） AbstractZZ13000／28／60 type hydraulic support used in hard roof conditions of Datong Coal Group Company． According to the stress of the stent，established the bracket of the three－dimensional entity model and analyzes the force of hydraulic support，un- der torsion and offset load conditions． The results show that，hydraulic support meet the requirement of hard roof in Datong Coal Group Company． Key wordshard roof and large mining height；ZZ13000／28／60；stress analysis〔责任编辑 石白云〕 位收缩也快, 于是会受到压应力；铸件冷却慢的部 位收缩也慢, 于是受到拉应力。在应力作用下, 会导 致铸件产生变形、断裂[6]。因此, 在铸件凝固过程中 要调节铸件内外的冷却速度, 设计时尽量让铸件壁 厚均匀一些,在厚大部位设置冷铁加快散热速度, 在 最后凝固部位设置冒口, 以此将凝固缺陷转移到冒 口当中, 还可以合理设计浇注系统以及确定浇注速 度等工艺因素, 延缓内浇道的凝固时间, 使得部分 热节转移在浇道当中。 4 结论 1 通过铸件凝固模拟可预测出温度场分布, 从 而确定各部位的凝固次序, 找出热量集中部位, 为 工艺设计提供参考。 2 从剖面图可以方便查看铸件内部的温度分 布, 使得原本抽象的温度实现了可视化。 3 ANSYS 软件在温度场分析方面可以为工程 实践提供辅助设计, 节省了大量的人力和时间。 山西大同大学学报 （自然科学版 ）2012 年 参考文献 [1]柳百成, 荆涛. 铸造工程的模拟仿真与质量控制 [M]. 北京 机械工业出版社, 2001. 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