超静定液压支架顶梁的有限元分析.pdf

第 3 1 卷第 o 9期 2 0 1 0年0 9月 煤 矿 机械 C o a l Mi n e Ma c h i n e r y V0 l _ 3l No ． O 9 S e p． 2 0 1 0 超静定液压支架顶梁的有限元分析 刘 红国。李炳文。巩 明。夏丽建 中国矿业 大学 机 电工程学院 。 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 介 绍 了超静 定液 压 支架 的 架 型 。利 用 P ， E三 维软 件 对 顶 梁进 行 了建 模 ．并使 用 A N S Y S软件针对 4种不同受力方式进行 了有限元的受力分析 ． 得 出顶梁在不同情况下最大应力和 存在危 险 的部位 对 今后 该 支架 的设计 与改进 提供 了理 论依 据 关键词 液压支架硕梁有限元分析 中图分 类号 T D 3 5 5 文 献标 志码 A 文章 编 号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 90 0 7 40 3 Fi n i t e El e me n t An a l y s i s o f Ul t r a - s t a t i c Hy d r a u l i c S u p p o r t Ro o f Ti mb e r L I U H o n g - g u o ， L I B i n g - w e n ， GON G Mi n g ， XI A L i - j i a n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g， C h i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ， Xu z h o u 2 21 1 1 6 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e t y p e o f u l t r a - s t a t i c h y d r a u l i c s u p p o r t wa s i n t r o d u c e d ．Mo d e l s t h e r o o f t i mb e r b y u s i n g P m／ E t h r e e d i me n s i o n a l s o ft wa r e ． a n d c a r r i e s o u t a fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s o n t h e f o u r d i ff e r e n t wa y s o f s t r e s s wi t h AN S YS s o f t w a r e ，fi g u r i n g o u t t h e ma x i mu m s t r e s s a n d t h e d a n g e r o u s p a r t s o f r o o f t i mb e r u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s ． T h e r e s u l t s wi l l p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e d e s i g n a n d i mp r o v e me n t s o f s u c h u hr a -s t a t i c h y d r a u l i c s u p p o r t ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s u p p o r t ； r o o f t i mb e r ； fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s 1 超 静定 液压 支架 介绍 超 静 定 液 压 支 架 是 中 国矿 业 大 学 矿 山机 械 研 究所发 明的一种结构简单 、 生产效率高 、 成本低 、 支 护 好 的新 型液 压支架 。该 液压 支架 的特 点 1 顶梁和底座之间用 8根立柱支撑 。这样可 以使底座的受力均衡 ． 并且可以实现在 同样的泵站 压 力下 ． 用 较 小缸 径 的立 柱作 用 在 较大 的工作 阻力 下 ． 节省 了制造 的费 用 。 2 立 柱 和顶梁 、 底座 采用 铰接 的方 式联接 。立 柱均为二力杆 ． 只传递力不传 递力矩 ． 底座不会受 到附加的弯曲应力 3 立柱成双“ 八” 字形布置 。 支架问的水平 内 力互相抵消。立柱和底座 、 顶梁组成三角形 ． 支架具 有高稳定性 的优点。 8根立柱其中某一个损坏。 也不 会影响整体的支撑效果 ． 安全性高。 4 采 用 铰 接 的 联 接方 式 支 撑 ． 可 以用 更 换 不 同行程 的液压立柱 的方法来适应不同采高的工作 面． 能实现支架的系列化设计。 2顶梁模 型 的建立 1 模型的简化 顶梁的结构 复杂 ． 零件多 ． 若 完全按实 际结构 进行有限元分析 比较 困难 。 并且耗费时间多 。在建 立模型的时候 忽略次要 因素 ． 保 留主要因素 ． 对支 架进行如下简化 ①去掉圆角、 倒角， 减少模型的点、 线、 面， 加快 计算 的速度 ②忽略板与板之间的焊接 ， 视整个顶梁为一个 整体 若计算出应力集中在焊接处 ， 再另行分析 。 ③去掉侧护板、 耳板、 侧推筒、 侧推杆等受力较 小 的零 部件 ④去掉安装孑 L 、 起 吊孑 L 、 结构小孔 、 凸台等对局 部应力影响较大 ． 而对整体影响不大的部分。 对 顶 梁 简化 后 主要 剩 下 主肋 板 、 腹 板 、 盖 板 等 主要 承 受 力 的零 部 件 ．然后 使 用 P r o ／ E G I N E E R Wi l d fi r e 3 ． 0进 行三 维建模 见 图 1 。 图 1顶 梁模 型 2 模型材料属性 该 液 压 支 架 的 顶 梁 结 构 选 用 的 材 料 主 要 是 Q 3 4 5 ．故该模 型的属性为各向同性 ．弹性模量 E 2 ． 1 x l O MP a ， 泊松 比／ x 0 ． 3 ， 密度 p 8 ． 9 k g ／ m m 。 3 模型的单元类型、 网格划分 顶梁主要由钢板焊接而成 ． 大部分均符合薄板 条件 ． 可按照壳单元分析 。但是按实体单元进行分 析时． 能够 自动考虑剪力滞效应 。且考虑到顶梁整 体的几何结构和材料等因素 ．选用 3 D实体单元 8 NO DE S OL I D 4 5 。 网格划分时采用 自由网格 ． 使用 Ma s h T o o l自动 划分 网格 。对于销孔 、 垫块放置的位置等估计会产 生较 大应 力 或 应 力 变 化 大 的地 方 再 用 网 格 进 行 细 ． ． 74．．． 第 3 1 卷第0 9 期 超静定液压支架顶梁的有限元分析刘红国． 等 V o 1 ． 3 1 N o ． 0 9 化处理 3顶梁模型加载方式 在加载的时候 ， 垫块的位置 以 液压 支架通用 技术条件 的标准来确定 。选取其 中 4种不 同的垫 块位置对顶梁受力进行分析 ， 即 中部集 中载荷 、 单 侧载荷 、 扭转载荷 、 两端集中载荷 见图 2 。 妇 a 中部集 中载荷 b 单侧载荷 c 扭转载荷 d 两端集中载荷 图 2垫块方式 1 边界条件的处理 在计算过程中． 把垫块的作用作为边界条件来 处理。在垂直方 向上 ． 支架顶梁在工作过程 中受到 约束 ， 位移很小 ， 则约束垫块其上下平动 自由度。对 于水平 自由度 ． 由于顶梁和垫块之间的静摩擦力和 两侧 的支架约束其水平运动 ． 考虑到结果偏于保守 相对安全 ． 同时将其水平方向的平动 自由度也进行 约束。因此在进行有限元计算时． 将垫块处 的 、 y、 Z 3个方向的平动 自由度加 以约束 2 外负载的施加 由于以垫块作为结构 的边界进行处理 ． 那么对 于顶梁来说 ． 便只有 8根立柱对其的支撑力作为外 负载 立柱对顶梁的支撑力通过销轴传递给主肋板 上的销孔。销轴销孔之间接触力处理 比较 复杂 ， 可 由圣维南原理 ．在小部分边界上的静力等效简化 。 对远处影响忽略不计 对 载荷进行 简化 ． 即将支撑 力均布施加在销孔面上作为立柱对顶梁 的支撑力 。 立柱对称布置 ． 水平分力可 以相互抵消 ． 且立柱在 最高支撑时与竖直方向上的夹角约 3 o ． 水平力相对 来说可以忽略 。 可视支撑力竖直 向上。在试验 中所 施加的载荷为支架的额定工作阻力的 1 ． 1 倍 ．则在 销孔处施加的载荷 p 1 4 3 MPa 式 中 卜液压支架工作阻力 ． F 5 x l 0 6 N ．s _～ 销孑 L 的等效 面积 ， 4 O m m 6 0 m m。 4 有 限元 求解 及分析 1 中部集 中受 载 求解得 出 V0 n Mi s e s应力 分布云图 见图 3 。 从图中看出， 最大应力分布在中 部 的 4对销 孔 处 ， t r ． 3 5 3 MP a 。该处 已进 入 屈服状 态 ， 但其他部位受力不很大 。 在弹性状态范围内。 ” 3 9 7 F A O 8 2 I 9 E ” u 1 9 8 E o 2 7 8 E o 5 7 B 0 9 Mo d e l d 图 3 中部集中受载 V o n M i s e s 应力分布云图 2 两端集 中受载 求解得 出 V o n Mi s e s应 力 分布云图 见 图 4 。从图中看出最大应力分布在前 后两侧 的 4对销孑 L 处 ， O m 2 9 0 MP a 。则整个顶梁均 在 弹性 状态 范 围 内 M 0 d e l d 323 Ⅲ ％ sⅢ8 ⋯b o 2 26 2 图 4两侧 集中受载 V o n Mi s e s 应力分布云图 f 3 扭转受载求解得 出 V o n Mi s e s应力分布 云 图 见 图 5 。 从 图 中看 出 ， 最大应 力 分布 在施 加点 压力 处 的下 部的 销孔上 ， O m 3 5 4 MP a 。则该 处进 入 塑性状态 ．与其对角放 置垫块位置的应力也 比较 大 ． 但从 中看 出该处应力没有超过屈服极限 。 仍 在 弹性 范 围 内 ” 3 9 4 E 0 g t l 8 E 0 9 9 7 2 3 6 E 0 9 2 7 6 E 0 9 0 啪 5 4 E 0 9 M 0 d e l d 图 5扭转 受载 V o n M i s e s 应力分布云图 4 单侧受载 求解得出 V o n Mi s e s应力分布 云图 见图 6 。 从 图中看 出， 最大应力分布在施加压力一 侧的两主肋板之间前端副肋板的下侧 ， O m 5 4 2 MP a 。 第 3 1卷第 0 9期 2 0 1 0年 o 9月 煤 矿 机械 C o a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo 1 ． 3 l No ．O 9 S e p ． 2 01 0 截齿与齿座装配体 的有限元分析 潘先峰 。张安宁 ． 李晓丽 安徽理工大学 机械工程学院 ． 安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘 要 介绍掘进机工作时单个截齿的受力模型．通过有限元分析软件对截齿与齿座的装配 体进行应力分析 ， 了解其应力分布规律 ． 得 出截齿截割煤岩时最大应力 出现的位置。所得结果为进 一 步 改善截 齿 与齿座 的 受力状 况 ， 为解 决硬 质合 金 刀头脱 落 、 折 损 和齿座 脱 落奠 定 了基础 。 关键词 掘进机 ；截齿 齿座；有限元分析应力 中图分 类号 T D 4 2 1 ． 5 文献标 志 码 A 文章 编号 1 0 0 30 7 9 4 2 0 1 0 0 90 0 7 60 3 Fi ni t e El e m e nt Ana l y s i s o f Pi c k a n d Pe de s t a l ’ S As s e m bl y P AN Xi a n - f e n g ， ZHANG An - n i n g。LI Xi a o - l i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e s i n g l e p i c k f o r c e mo d e l o f r o a d h e a d e r wa s i n t r o d u c e d ，t h r o u g h t h e F EA s o f t w a r e t o t h e p i c k a n d p e d e s t a l a s s e mb l y f o r s t r e s s a n a l y s i s 。find o u t t h e s t r e s s d i s t r i b ut i o n ，s h o w t he g r e a t e s t s t r e s s p o s i t i o n w h e n c u t t i n g c o a l a n d r o c k s ．T h e r e s u l t p r o v i d e s t h e t h e o r e t i c a l b a s i s f o r f u r t h e r i mp r o v e t h e p i c k a n d p e d e s t a l ’ S s t r e s s c o n d i t i o n ． s o l v e t h e c e me n t e d c a r b i d e a n d t h e p e d e s t a l b r o k e o r f a l l o f f ． Ke y wo r d s r o a d h e a d e r ； p i c k ； p e d e s t a l ； F E A s t e s s 0 引 言 悬臂式掘进机是矿 山建设和煤矿巷道掘进 的 主要机 械设备 ． 截割头是掘进机的工作机构 ． 主要 功能是破碎和分离煤层 截齿和齿座是截割头的重 要组成部分 ． 镐形截齿 由刀杆和安装在刀杆上的刀 头两部分组成 ， 在截割过程中 ， 其承受来 自煤岩 、 夹 石层 、 包裹体等的外载荷 ， 由于其工作条件差 、 受力 复杂 、 冲击载荷大 ， 这对截齿 和齿座 的强度 和结构 等提 出了更高的要求 ． 因此对截齿和齿座进行应力 分析 ． 了解其截割煤岩时的应力分 布规律 ． 为进一 步研究 掘进机截割头 的结构设计和参数优化提供 了理论依据 1 截齿 与齿座 的结构及 力 学模型 本文截齿 的形式是镐形截齿 ． 截齿和齿座的实 体 图由三维制 图软件 S o l i d w o r k s 建立 ．截齿和齿座 的三维 图形 如 图 1 所 示 。 ◆ 图 1 截齿与齿座三维图 截齿在截割煤 岩 的过程 中的受 力状态如 图 2 所 示 。 图 2截齿受力简图 则该处进人塑性状态 ． 顶梁加载处 和外侧的副肋板 受 力也 比较 大 。 0 6 0 2 E 柏 8 2 o E 椰 】 8 1 9 ’ 0 l E 埘3 ’ E O gA 2 2 E 0 q 4 E 4 2 E 0 9 图 6单 侧 受 载 V 0 n Mi s e s应 力分 布 云 图 5结 语 超静定液压支架是一种新型的支架 本文通过 对其顶梁进行有限元分析 ． 得到顶梁 内部 的应力分 布 。由应力分 布云图可以得知 ， 该支架的应力分布 更加均匀 ． 这样更 能有效地利用材料 ， 但是该 支架 采用销轴与立柱联接 ．使得销孔处 的应力 比较集 中 在今后 的设计中应当对此加以改进 以提高该支 架在使用中的可靠性和寿命 。 参考文献 [ 1 ] 煤炭科学 研究总 院． 液压 支架通用技 术条件 [ S ] ． 中华人 民共和 国煤炭行业标准． 1 9 9 2 ． [ 2 ] 综采技术手册 编委会． 综采技术手册 [ K] ． 北 京 煤炭工业出版 社 ． 2 0 0 1 ． [ 3 ] 朱伯 芳． 有限单元 法原理 与应 用 [ M] ． 北京 中 国水 利水 电出版 社 ． 1 9 9 8 ． [ 4 ] 王国法． 液压支架技术 [ M] ． 北京 煤炭 工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． 作者 简介刘红 国 1 9 8 4 一 ， 山东 济宁人 ， 中国矿业 大学机电工 程学院 2 0 0 8级研究生 ， 主要研究方 向 机械设计 及理论 ， 电子信箱 l u i s 1 2 3 1 2 6 ． c o m． 责任编辑 王海英 收稿 日期 2 0 1 0 0 5 0 6