采煤机调高油缸活塞-活塞杆组件的结构分析.pdf

第 3 0卷第7期 2 0 0 9年 7月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo I ． 3 0 N o ． 7 J u 1 ．2 0 0 9 采煤机调 高油缸活塞 一活塞杆组件的结构分析 木 王义亮 ，杨 涛 ，杨兆建 。郭生龙 1 ． 太原理工大学 机械工程学院， 太原 0 3 0 0 2 4 ； 2 ． 太原矿山机器集团有限公司， 太原 0 3 0 0 0 9 摘要 建立了某型号大功率采煤机调高油缸活塞 一活塞杆组件 的有限元模型， 并对所建模 型进行了有限元分析， 研究了 在采煤机截煤及不截煤2种工况下调高油缸活塞及活塞杆的结构应 力情况。结果表明， 该组件结构合理， 但安全 系数过 高， 有进一步优化的空间。 关键词采煤机 ；活塞 一活塞杆组件；有限元分析 中图分类号 T D 5 3 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 9 0 7一 O O 6 4 0 3 S t r uc t u r a l Ana l y s i s f o r Pi s t o n Pi s t o n Ro d S e t s o f S t e e r i ng Cy l i nd e r o f S he a r e r W ANG Yi l i a n g ，YANG Ta o ，YANG Zh a oJ i a n ，GUO S h e n gLo n g 1 ．Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e ， T a i y u a n T e c h n o l o g y U n i v e r s i t y ， T a i y u a n 0 3 0 0 2 4， C h i n a ； 2 ．T a i y u a n C o a l Mi n i n g M a c h i n e r y C o ．L t d ． ， T a i y u a n 0 3 0 0 0 9， C h i n a A b s t r a c t B y u s i n g o f A N S Y S ． fi n i s h e d t h e m o d e l i n g o f t h e h e i g h t a d j u s t i n g o i l c y l i n d e r a n d p i s t o n r o d o f X h i g h p o w e r c o al s h e a r e r ， a n d fi ni t e e l e m e n t ana l y s i s ， a n a l y s e d t h e s t r u c t u r a l s t r e s s c h a n g e o f h e i g h t a d j u s - r i n g o i l c y l i n d e r and p i s t o n w i t h b o t h w o r k i n g l o a d an d n o n-w o r k i n g l o a d ．A s the e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t the s t r u c t u r e o f the p i s t o n r o d i s r e a s o n a b l e， t h e s a f e t y f a c t o r i s o v e r r a t e d an d n e e d s o p t i mi z i n g ． Ke y wo r d s s h e a r e r ；p i s t o np i s t o n r o d s e t ；F EM a n aly s i s 0引言 的结构 ， 使其在满足压力及强度的条件下尽 量减小 螺旋滚筒是滚筒式采煤机的工作机构， 滚筒 的 体积 ， 以减轻重量 ， 这样还可以节约材料降低成本。 调高是通过调高油缸来实现 的。调高油缸对 于保 本文以某 型采 煤机 为例 对其 摇 臂调 高 油缸 的活 证采煤机正常截煤， 处于举足轻重的地位。油缸结 塞 一 活塞杆组件进行了分析， 并提出了一些改进设 构是否合理 、 参数是否 匹配 ， 对于整机的参数 及性 计的建议。 机推进时所受牵引阻力也较大 ， 结果使调高油缸 的 体积和重量也随之增大， 因此就需要改善调高油缸 国家 1 1 ． 5科技支撑计划课题 资助 2 0 0 7 B A B 1 3 B O I 一0 2 图1 活塞及活塞杆的三维实体模型 活塞及活塞杆所受载荷 与采煤机 的实际工况 有关。当采煤机工作时 见 图 2 ， 前截割滚筒逆时 针旋转， 前滚筒受到向上 的截割阻力和向后的牵引 、 尹 动防滑安全系数小于 1 ． 2 5 ， 对提升机安全运行构成 威胁。 5结语 多绳提升机运行过程 中很 多因素都依赖于现 场环境和提升机的运行状态 ， 因此 ， 在选型设计 阶 段防滑验算 中安全的情况并不一定真的安全 ， 还应 该在运行一段 时间后结合现场特点对参数进行测 量和进一步防滑计算 ， 以确保在少量超载及环境恶 劣的情况下多绳提升机仍然能够安全的工作。 参考文献 f 1 ] 中国矿、 I 学院．矿井提升设备f M] ． 北京 煤炭工业出版社 ， 1 9 8 0 ． [ 2 ] 杨兆建． 提升机衬垫摩擦系数的回归正交优化设计与分析[ J ] ． 矿山机械 ， 1 9 9 0 1 1 l 8 2 3 ． [ 3 ] 周遥荣 ， 严万生．矿山固定机械手册 [ K] ． 北京 煤 炭工业出版 社 ，1 9 8 6 ． [ 4 ] 范家骏．矿井 多绳提升选型设计 [ M] ． 北京 煤炭工 业出版社 ， l 9 8 1 ． [ 5 ] G B 1 6 4 2 3 2 0 0 6 ， 金属非金属矿山安全规程[ s ] ． 作者简介 石瑞敏 1 9 8 3一 ， 女， 山西祁 县人 ， 硕士研究生 ， 2 0 0 5年毕业于太原理工大学机械工程学院机械设计及理论专 业 ， 现从事 网络环境下的设 计与协 同设 计方面 的研 究工作 ， 电子 信 箱 t i n a 7 4 4 1 6 3 ． c o rn． - - - - 6 4 ．--- 收稿 日期 2 0 0 9 0 2一l 9 V o 1 ． 3 0 N o ． 7 采煤机调高油缸活塞 一活塞杆组件的结构分析王义亮 ， 等 第 3 0卷第 7期 阻力 ， 油缸需要平衡摇臂 自重 、 截割阻力及牵引阻 力产生的力矩。后截割滚筒顺时针旋转 ， 后滚筒受 到向下的截割阻力和向后的牵引阻力， 油缸需要平 衡摇臂 自重、 截割阻力及牵引阻力产生的力矩 。此 时前后摇臂的力矩平衡方程分别为 F 1 ￡ l L 2 G L 3 N L 4 1 F l L 1 G L 3 F 2 L 1 Ⅳ L 4 2 式中 F ， 、 F 、 G、 采煤机前滚筒所受 截割阻 力 、 牵引阻力 、 摇臂重力 和 油缸产生的推力。 、L 、 、 厶前滚 筒截 割 阻力 、 牵 引阻 力 、 摇臂 自重及油缸推力相 对于摇臂铰接轴的力臂。 F ， 、 F 、 G 、 N 采煤机的后滚筒所受 的截 割阻力 、 牵引阻力 、 摇臂重 力和油缸产生的拉力。 L ’ 、 己 ’ 、 L ， ’ 、 后滚筒 截 割阻 力 、 牵 引阻 力、 摇臂 自重及油缸压力相 对于摇臂铰接轴的力臂。 由于截割阻力及牵引阻力不是 固定 的值 ， 会随 时间变化， 加载时作为静载取其最大值 。 图2 采煤机工作时前、 后摇臂受力分析示意图 采煤机不工作的情况下 见图 3 ， 采煤机不受 截割阻力和牵引阻力 ， 油缸产生的压力 只是平衡摇 臂 自重产生的转矩 ， 即 G L 3 N l L 5 3 G L 3 N l L 5 4 式中 Ⅳ 、 前油缸压力及油缸压力相对于摇 臂铰接轴的力臂。 Ⅳ l 、 后油缸压力及油缸压力相对于摇 臂铰接轴的力臂。 厶 和 大小相等 ， 和 大小相等。 图 3 采煤机不工作 时前 、 后摇臂受力分析示意 通过对前、 后摇臂的受力分析， 根据其力平衡 关系可得采煤机调高油缸活塞所受载荷 缸内压 力 如表 1 所示。 表1 调高油缸活塞载荷 2 活塞 一活塞杆组件的有限元模型 根据调高油缸的结构特点 ， 建立其活塞 一活塞 杆组件的有限元模型如 图 4所示。活塞 一活塞杆 组件有限元模型的基本属性如表 2所示。 表 2 活塞和缸体有限元模型基本属性 弹性模量／ P a 泊松比材料密度／ k gmI 3 单元类 型 2 ． 0 6 X 1 0 “0 ． 3 7 8 0 0 四面体实体单元 图4 活塞 一活塞杆组件有限元模型 由以上受力分析可知， 采煤机截煤时前摇臂调 高油缸无杆腔承受载荷最大 ， 采煤机不截煤时后摇 臂调高油缸有杆腔承受载荷最大， 考虑到前后摇臂 调高油缸的通用性及采煤机在工作时 2个方 向均 可作为采煤方向， 所以在设计时只需计算前摇臂截 煤时和后摇臂不割煤时的载荷。 对于前摇臂来 说， 当采煤机截煤时 ， 由于受作 用在滚筒上的截割阻力和牵引阻力的影响， 油缸无 杆腔承载 、 压力高 ， 有杆腔不承载 、 压力低 。在对活 塞杆进行分析时， 约束活塞杆铰接端 和 z向平 移、 转动自由度， 释放 y向的平移和转动自由度； 另 一 端约束 y 和 z向的平移和转动自由度， 释放 向 的平移和转动 自由度 ， 载荷施加在活塞无杆面上。 对于后摇臂来说 ， 当采煤机 不工作时 ， 摇 臂拉 起， 油缸有杆腔承载 、 无杆腔不 承载。当采煤 机工 作时 ， 由于摇臂受到截割阻力和牵引阻力 ， 油缸有 杆腔承受的载荷变小， 无杆腔不承载。约束的设置 与前摇臂 的相同， 载荷均是施 加在活塞的有杆 面 上 。 3 有限元结果分析 根据上述模型运用 A N S Y S进行分析。表 3为 调高油缸活塞 一活塞杆组件的最大主应力和最大 V o n m i s e s 等效应力 ， 其中 V o n m i s e s 等效应力。 r 1 ． ． 1 丁 l o r { 寺[ l 一 2 2 一 3 o r3 一 1 】 } 5 L 厶 J 式中o r 1 、 2 、 3 主应力。 图5和图 6分别是前摇臂油缸活塞 一活塞杆组 件在采煤机截煤状态和后摇臂油缸 活塞 一活塞杆 组件在采煤机不截煤状态下的 V o n m i s e s等效应力 云图 。 活塞和活塞杆所 用的材 料均为 4 5钢， 采用调 质处理 ， 该材料的屈服极限 3 4 0 MP a ， 由表 3可 知 ， 活塞 一活塞杆组件各点处的最大主应力 o r 、 2 、 3 和最大 V o n m i s e s 等效应力 O r 均小于 材料的屈服极限。 一 65 第 3 O卷第 7期 2 0 0 9年 7月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo 1 ． 3 0 No． 7 J u 1 ．2 0 o 9 液压支架工作阻力的预报分析 闵玉婷 。赵亚玲 陕西能源职业技术学院， 陕西 咸阳7 1 2 0 0 0 摘要液压支架工作阻力受各种 因素的干扰 ， 其工作阻力的大小会受到很大的影响 ， 进而影 响液压支架的工作效率。将 贝叶斯方法应用到液压支架工作阻力的动态分析 中， 结合实际测量的 数据建立了液压支架工作阻力的动态模型， 通过建立的贝叶斯动态模型可以预报液压支架工作阻 力的变化趋势， 为合理控制液压支架的工作阻力使液压支架维持正常工作做 了 铺垫。 关键词 工作阻力 ；贝叶斯方法；动态模 型；预报 中图分类号 T D 3 5 5 文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 9 0 7 0 0 6 6 0 4 Pr e d i c t i o n An a l y s i s o f W o r ki ng Re s i s t a n c e o f Hy dr a ul i c Su pp o r t M I N Yut i n g， Z HAO Yal i n g S h a n x i E n e r g y V o c a t i o n a l T e c h n o l o gy I n s t i t u t e ， X i a n y a n g 7 1 2 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o di s t u r b a n c e f a c t o r s o f t h e wo r k i ng r e s i s t a n c e o f h y d r a u l i c s u p p o ，t h e v a l u e o f w o r k i n g r e s i s t a n c e w i l l b e t r e me n d o u s a f f e c t e d，t h u s i n fl u e n c i n g w o r k e f f i c i e n c y o f h y d r a u l i c s u p p o ．T h e Ba y e t h e o r y wa s a p p l i e d t o t h e d y n a mi c a n a l y s i s o f t h e wo r k i n g r e s i s t a n c e o f h y d r a u l i c s u p p o ，a n d t h e a c t u a l me a s u r e d d a t a wa s us e d t o e s t a b l i s h t h e Ba y e d y n a mi c mo d e l wh i c h ma y f o r e c a s t t h e c h a n g e t e n d ． e nc y o f t h e wo r k i n g r e s i s t a nc e．wh i c h wi l l s u p p l y t h e b a s e t o k e e p t h e h y d r a u l i c s u pp o n o r ma l wo r k f o r t h e r e a s o n a bl e c o n t r o l t h e wo r k i n g r e s i s t a n c e o f h y d r a u l i c s u pp o f1． Ke y wor d s wo r k i n g r e s i s t a n c e；Ba y e t h e o r y；d y n a mi c mo d e l ；f o r e c ast 表3 活塞 一活塞杆组件有限元分析结果 0-I ／ MP a 2 ／MP a 0 “3 ／MPa ／MP a 前滚筒截煤时 1 8 ． 0 1 4 ． 8 5 2 ． 2 1 1 ． 5 后滚筒不截煤对 1 1 0 ． 0 2 8 ． 4 2 0 ． 2 8 6 ． 0 图5 滚筒截煤时前摇臂调高油缸活塞 一活塞杆组件 Y o n m i s e s 等效应力云图 图6 滚筒不截煤时后摇臂调高油缸活塞 一活塞杆组件 V o n mi s e s 等效应力云图 由有限元分析结果可以看出 ， 该采煤机调高油 缸活塞 一活塞杆组件结构合理 ， 受力 比较均匀 ， 应 力变化 比较平坦 ， 分布规律 。但 最高 V o n mi s e s 应 力仅为 8 6 ． 0 MP a ， 远 小 于材 料 的屈 服极 限 3 4 0 MP a ， 显然原设计存在着严重的过设计现象 ， 有必 要做进一步优化。 4结语 通过以上对调高油缸活塞 一活塞杆 组件的有 限元分析 ， 可以得出如下结论 1 活塞杆 V o n m i s e s 应力变化均匀 ， 应力分布 较规律，在活塞杆铰接端存在应力集 中，应力在此 处达到最大。 、 、 、 、 、 、 、 2 活塞 一活塞杆组件结构设计 和材料的选用 均符合设计要求 ， 但安全性能过 于保守 ， 即使在应 力集中点其上应力分布也远远小于材料屈服极限 ， 造成材料较大浪费 ， 因此 ， 这些 结构 尚有很 大的优 化空 间 。 3 分析过程具有一定 的通用性 ， 对于相似类 型的， 使用类似工况的调高油缸可使用相同的计算 分析方法。根据 以上结论可 以对调高油缸进行适 当的改进设计 由于原设计过于保守 ， 结构安全 系 数过高 ， 因此可 以适 当减小活塞及活塞杆 的直径 ， 这样油缸 的内径和体积也随之减小 ， 从而可 以节约 材料 、 降低成本。如果 由于其他因素 的限制 ， 油缸 尺寸不能再减小 ， 则 可以采用屈服极 限较小 ， 相 对 较廉价的材料 ， 以节约成本。在活塞杆铰接端有应 力集中， 可以在设计或加工工艺方面采取适 当措施 以减少应力集 中。 参考文献 [ 1 ] 韩军 ， 李祥君 ，姜艳华． MG 4 0 0 ／ 9 8 5 一WD电牵引采煤机油缸 的 设计计算[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 3 ， 2 4 1 3 1 3 2 ． [ 2 ] 龚曙光．A N S Y S在应力分 析设 计中的应用 [ J ] ． 化工装备技 术， 2 0 0 2 1 2 93 3 ． [ 3 ] 刘朝辉， 柳翼， 李轶鹤． A N S Y S 在结构稳定性 中的应用[ J ] ． 湖南 工程学院学报 ， 2 0 0 2 6 3 3 3 5 ． [ 4 ] 戴少度． 材料力学[ M ] ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 0 ． 作者简 介王 义亮 1 9 6 9一 ， 山西静乐人 ， 工学博 士， 太原 理工 大学机械工程学院副教授 、 硕士生导师， 主要从事矿山机械 、 机械动力学 、 机械振动及 噪声 、 机械结构有 限元分析及优 化设计 等领域的教学与科研工作 ， 近年来作为主要研究人员参加国家及 省部级科研项目多项， 发表学术论文 l O多篇， 电子信箱 w a n g y i l - i a n g wy l 1 6 3 ． c o m． ’ 一 6 6 一 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 2 1