CAD技术在6.3m液压支架开发中的应用.pdf

收稿日期 2007- 08- 01 作者简介 尹永霞 1979- , 女, 河南扶沟人, 助理工程师, 2002年 毕业于昆明理工大学, 现从事煤矿机械技术工艺处理工作。 试验 研究 CAD/CAE技术在 613 m液压支架开发中的应用 尹永霞, 赵俊丽, 甘 伟 郑州煤矿机械集团有限责任公司, 河南 郑州 450013 摘要 介绍了 CAD /CAE技术在 ZY10800/28/63D液压支架研制开发中的应用。通过 CAD技术进行三维造 型, 并在其基础上进行了虚拟样机的动力学仿真, 高效率地实现对整机性能的分析和评估。应用 ANSYS 、 MAGMAsoft 、 ABQUS、 SYS WELD等 CAE软件进行了支架的全应力分析、 局部应力分析、 铸造工艺优化、 焊接 工艺模拟和残余应力应变的计算。 关键词 613m液压支架; CAD /CAE技术; 综采设备 中图分类号 TD35514 文献标识码 A 文章编号 1003- 0506 2007 06- 0009- 02 Application of CAD/CAE Technology in theDevelopment of 613m Hydraulic Support YIN Yong-xia , ZHAO Jun -l, i GANW ei Zhengzhou CoalM ineMachinery Group Limited Liability Company, Zhengzhou 450013, China Abstract Application ofState -o- f the -art CAD /CAE technology in the ZY10800/28/63D hydraulic support exploitation are introduced1 3D model is setup by CAD software , makes dyna m ic si mulations based on virtual prototype ,thus helping research team do auxiliary a - nalysis and uation . CAE soft ware , such asANSYS, MAGMAsoft , ABQUS and SYS WELD are used to calculate stress ofhydraulic , Castprocess opti m izate and welding si mulate . K eywords 613 m hydraulic support ; CAD /CAE technology ; ful- lmechanizedm ining equipment 6 m以上安全、 高效、 一次性采全高综采设备是 当今世界上采矿业重点攻关难题。相对来讲, 作为 占综采成套设备中比重最大 占总投资的 50 70 的液压支架, 在技术、 工艺制造水平及材料选 择方面与国外水平差距较小, 具备了研发高可靠性 大采高液压支架的条件。郑州煤矿机械集团开发的 二柱掩护式 ZY10800/28/63D液压支架工作阻力超 过 10 000 kN, 高度 613 m [ 1]。在支架的研发过程 中, 应用 CAD建模虚拟样机代替物理样机进行结构 设计的检验和优化; 通过 CAE软件进行全应力、 局 部应力分析, 计算了支架在各种工况下的应力分布, 进行了强度和疲劳情况的校核; 借助铸造和焊接 CAE软件进行仿真模拟, 优化了焊接和铸造工艺。 实现了 613 m液压支架的一次性开发成功。通过实 际生产检验, 模拟结构与实际生产相一致。 1 CAD建模和虚拟样机仿真计算 111 CAD建模 应用 Solid Work软件进行支架的三维建模。在 通过 CAD三维建模的虚拟样机的设计中, 采用自上 而下 Top -Down的设计方法, 先设计总装图, 然后 拆部件和零件图。由于在装配体上直接设计出零部 件, 这样就从根本上避免了干涉现象的产生, 同时当 装配体设计完毕, 零部件也就自动生成, 减少了工作 量, 大大缩短了 613m 支架的开发周期。针对 CAD 软件不易识别柱窝和立柱缸体底部圆球面的配合关 系的问题, 建模过程中将立柱简化成铰点, 这样在进 行动力学分析和运动学分析时比较方便 简化成转 动副 [ 2]。 112 虚拟样机的仿真运动计算 虚拟样机分析可以指导物理样机的设计工作, 同时能够进一步为细化虚拟样机提供参考, 反映环 境对支架性能的影响。通过虚拟样机的仿真运动可 以直观地看出设计可能存在的干涉情况, 通过虚拟 样机的计算可以对设计参数进行优化, 图 1为通过 仿真运动计算优化后得到的 613 m液压支架顶梁双 扭线。 9 2007年第 6期 中州煤炭 总第 150期 图 1 优化后的顶梁双扭线 2 CAE应力分析 211 全应力分析 通过虚拟样机全应力分析技术, 先在计算机上 将整个压架试验过程模拟完成, 找出支架的薄弱部 位, 再重新修正, 可以保证压架试验一次成功。将三 维模型输入到 CAE分析软件中, 输入边界条件和初 始条件及相应载荷参数, 对液压支架整机及部件的 应力分布做出正确计算, 通过可视化的分析结果来 判断支架的受力分布及承载能力情况 [ 3]。 212 局部应力校核 根据全应力分析计算结果, 对支架容易产生失 效的部件进行局部应力分析。采用计算机辅助分析 手段, 可以通过应力模拟对支架的结构和强度做出 合理的评价, 通过 613 m 支架一种连杆设计方案在 1105倍额定加偏载时的应力计算, 可以看出连杆的 铰接处应力最大。柱窝是液压支架集中受力部位, 通过应用 ABQUS软件对材质为 30Cr 06A的柱窝零 件加载 1105倍额定载荷时的应力分布可知, 在该载 荷下没有发生失效, 材料强度符合设计要求。 3 CAE技术对柱窝零件铸造工艺的优化 柱窝零件在液压支架中是集中受力部件, 原柱 窝零件的底座为实体, 原工艺设 30 B50 B70mm 的 浇注系统和 100 mm 100 mm 的冒口 2处; 浇注 温度为 1 560 10e ; 浇注时间为 35 s; 木模、 树脂砂 型铸造。应用 MAGMAsoft按该工艺进行模拟。通 过 POROSI TY判据可见, 在耳的根部与底座的连接 处温度高而且不均匀, 容易形成热裂缺陷; 柱窝窝口 处的冒口虽然有一定补缩作用, 但不易加工。按原 工艺进行铸造生产, 压架后拆解柱窝零件发现, 在零 件底座中心和耳处有较大的缩孔出现。柱窝的窝口 面有严重的裂纹, 沿 60b 扇形中心线连续分布, 贯穿 400 mm, 宽度比窝口面大, 经对开裂处进行破坏性 检测, 除球面体局部连接外, 区域部位均有裂纹。 通过力学分析, 对柱窝的形状和工艺进行了改 进。对柱窝的底座部分采取十字筋设计, 替代了原 来的实体, 对耳处加以对称分隔圆滑过渡。改进后 的零件造型, 不会形成点受力的恶劣情况, 最大限度 地降低了底面悬空; 而且耳处的改动消除了应力集 中。由凝固后的 POROSI TY判据可见, 最后凝固区 域和缩孔基本上集中在冒口区域。应用 CAE优化 设计后的工艺进行浇注, 裂纹现象基本消除。 4 焊接 CAE技术在结构件中的应用 在液压支架中主要承重结构是结构件, 这些结 构件都是由板材焊接而成的, 顶梁、 掩护梁、 连杆、 底 座等结构件其受力复杂, 且其质量品质与焊接质量 有着直接关系。在 613 m 液压支架的开发中, 应用 ANSYS对焊接结构进行疲劳分析; 借助装配模拟向 导, 应用 SYS WELD对焊接后应力和变形分析。通 过焊接 CAE软件对结构件焊接热模拟过程、 焊接热 变形、 焊接残余应力等模拟仿真, 保证了 613m液压 支架焊接工艺的正确性和焊接强度的可靠性。 5 结论 1在 613 m 液压支架的开发中, 进行了 CAD 三维造型和虚拟样机的 CAE应力计算, 铸造工艺的 CAE模拟优化, 焊接 CAE 焊接接头热过程和应力、 应变模拟仿真。 2保证了支架的可靠性, 解决了柱窝的裂纹 问题, 模拟结果与实际生产情况相符合。 3在 613m 液压支架开发中, 采用 CAD/CAE 技术后, 开发周期缩短了 60 , 开发成本降低了 80 。 参考文献 [ 1] 高有进. 613m 大采高液压支架关键技术研究与应用 [ J]. 中州 煤炭, 2007 2 6 7. [ 2] 王国法, 徐亚军, 孙守山, 等. 液压支架三维建模及其运动仿真 [ J]. 煤炭科学技术, 2003 , 31 1 42 45. [ 3] 叶先磊. ANSYS工程分析软件应用实例 [M ]. 北京 清华大学 出版社, 2003. 责任编辑 郭海霞 10 2007年第 6期 中州煤炭 总第 150期