基于有限元方法的液压支架整架强度分析.pdf

煤矿 现代化 2 0 1 3 年第3 期 总第1 1 4 期 基于有 限元方法的液压支架整架强度分析 姜 源 。 冯 川， 张 阳 ， 吴成峰 兖矿集团有限公司机电设备制造厂。 山东 邹城 2 7 3 5 0 0 摘要液压 支架是煤矿综采工作 面的关键设备之一 ，其投 资可 占综采工作面设备投 资的 2 ／ 3 。传统液压支架强度试验方法因其 自身的局限性， 无法单一从设计角度去评估其质 量。采用P r o ／ E n g i n e e r 三维建模继而导入 A n s y s Wo r k b e n c h 进行有限元分析， 通过分析计算 结果， 对液压支架的设计提出优化方案。分析表明， 这种设计方法在实际工程中有着巨大的 应 用潜 力。 关键词液压 支架； 有限元 ； 分析 ； 整架 中图分类号 T D 3 5 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 3 0 3 0 0 7 3 0 3 液压支架是综采工作面关键设备， 其投资约占工 作面投入的 2 ／ 3 。其设计质量的可靠性支架影响了工 作面的安全生产。 传统液压支架设计一般经过图纸设 计一样机试验一设计优化一生产定型等 阶段【 1 J。通过 压架试验来判断支架质量 ， 即使检测到结构某处 出现 断裂 、 变形等问题 ， 也可能掩盖了其 他部位 的强度不 足和将要出现的破坏。在试验后修改设计时 ， 仅对 已 破坏的部位进行加强 ， 并不能保证再次试验能满足要 求。 传统液压支架压架试验仅对样机整体质量进行考 核 ， 其中有设计质量 、 工艺质量和制造质量等因素 ， 无 法单一从设计角度考虑支架强度设计中存在的不足。 采用有限元方法 ，通过对支架 在不 同工况下进 行数值模拟仿真， 对不同部件 、 部位的应力分布进行 准确全面的分析 ， 发现设计 中存在不足 ， 为优化设计 提供依据 。 以 兖 矿 集 团 机 电 设 备 制 造 厂 生 产 的 Z Y 2 2 0 0 ／ 0 7 ／ 1 4型液压支架为例， 其主要参数为 高度 7 0 0 ～ 1 4 0 0 mm； 宽度 1 4 7 0 mm； 中心距 1 5 0 0 m m； 工作阻 力 2 2 0 0 k N。 利用 P r o ／ E n g i n e e r 的建模功能 ， 通过简化 、 建模 、 装配等步骤建立该支架的三维实体装配模型 图 1 。 图 1 Z Y 2 2 0 0 ／ 0 7 ／ 1 4型液压支架三维模型 简化后液压支架三维模型包含底座 、 掩护梁、 连 杆 、 顶梁等主要部件及其联接销轴。 1 三维建模 2 有限元模拟及 结果分析 采用 P r o ／ E n g i n e e r 进 行三 维建模 。P r o ／En g i n e e r 操 作 软 件 是 美 国 参 数 技 术 公 司 P T C旗 下 的 C A D ／ C A M／ C A E一体化的三维软件， 是现今 主流的工 程三维建模软件之一 ，特别是在 国内产 品设计 领域 占据重要位置 。 液压支架主要 由各种结构件构成 ，为提高后期 计算速度 ， 模 型需进行一定程度简化 ， 其简化应 遵循 以下原则 1 液压支架 主要部件 的相对位置关 系不能改 变 ， 主要零部件 、 关键部位的尺寸不能改变 ； 2 次要部件如管架等对整体主要结构受力情 况影响较小部件可忽略 ； 3 焊缝简化按 照其强度不低于母材考虑 ； 4 液压支架各销轴均存在 l m m ～ 2 ra m的安装 间隙 ， 为减少有 限元计算 时间 ， 建模 过程 中， 销轴按 与销孔同等大小进行建模。 2 ． 1 边界条件设定 煤矿用液压支架 G B 2 5 9 7 4 2 0 1 0中规定了液 压支架整架型式试验 的各种模拟工况。因篇幅有 限， 本文只针对顶梁偏心加载方式进行说明，其他工况 可根据标准类似操作 。根据要求 ， 顶梁偏载试验时 ， 支架高度为最低高度加 3 0 0 m m。加载压力为额定工 作压力 的 1 ． 2 倍 。垫块 的安装位置如图 2所示 。 图 2 顶梁偏心加载 简图和垫块位置 b 2 0 0 m m 使 用 A N S Y S Wo r k b e n c h软 件 提 供 的 C A D c o n f i g u r a t io n m a n a g e r 功能， 设置其与 P r o ／En g i n e e r 的 连接接 口，将 由P r o ／En g i n e e 建立的三维模型导入 73 煤矿 现代化 2 0 1 3 年第3 期 总第l 1 4 期 4 0 m， 片 裂 深 度 4 0 0～5 0 0 m m，煤 帮 累 计 帮 鼓 1 0 2 0 m m，顶底 板移近量 9 0 0 mm，顶板 累计 下沉量 4 1 0 mm， 底鼓量 累计 5 1 5 m m。 工作面 回采 4 0 0 m后 ， 留巷侧超前 1 3 0 m范 围内 受回采超前压力影 响 ， 巷道变形较为 明显 ， 超前 7 0 m 范围内影响较为严重 ， 墙体片深 5 0 0 6 0 0 m m， 煤帮 累计 帮鼓 1 2 0 0 mm，其 中顶板累计下沉量 4 3 0 m m， 底 鼓量 累计 6 0 0 mm。 受落底影响 ， 墙体受压后底部向顺 槽方向偏移 ， 出现歪斜现象 ， 墙体底部相对上部偏移 出 2 0 0～3 0 0 m m。 顺槽顶底板为泥岩 ， 受压后容易发生变形 ， 受 9 3 0 2工作面 回采侧 向压力影响 ，留巷期间变形较严 重 ， 顶 板下沉量较大； 9 3 0 3面大面积 回采后 ， 与 9 3 0 2面、 9 3 0 l 面形成较大的采空区，对留巷侧形 成较大压力； 顺槽底鼓后落底量较大， 墙体受力出现 失脚， 墙体的歪斜降低了墙体的承压能力 ， 从而使顶 板压力有一部分从墙体转移到超前支护上 ，以上综 合原因造成 9 3 0 3面回采期 间超前压力较大 ， 矿压 显现明显 。 围岩条件确定不 同的支护方式 。 2 通过对 留巷期 间巷道锚 网支 护破坏的观测 与分析 ，为类似条件下 的沿空 留巷 的巷道掘进支护 提供重要依据，以便在巷道掘进施工时超前采取加 强支护强度、 优化支护方式和支护参数 ， 采取主动支 护， 避免留巷施工期间支护强度不足、 破坏等问题。 3 通过对巷道顶底板位移 、 两帮位移 、 破坏规 律的分析 ， 可 以优化巷道断面设计 ， 制定针对性 的支 护措施提供技术保证。 4 根据对煤体应力分 布与工作 面 回采时空关 系的分析 ， 可 以了解煤体应力 的集 中程度 、 发展变化 的规律 ， 为工作面防冲监测提供重要依据 。 参考 文献 [ 1 】钱鸣高， 刘听成． 矿 山压力及控制 修订本 【 M 】 ． 煤炭工业 出版 社 ． 1 9 91 ． 【 2 ] [ 3 ] 5 主要结论及 应用 [4 】 1 通过对 留巷期 间工作 面采 动对工作 面超前 以及采空滞后影响范围的研究与分析 ，合理 的确定 工作面顺槽超前支护和留巷后方支护方式 、支护强 度和支护距离等支护参数。实践证明在煤层顶板较 软条件下 ， 顺槽超前支架在 回采期间挪移 、 支护对顶 板造成反复的破坏， 不利于顶板的维护， 应根据煤层 宋振骐． 实用矿山压力与控制【 M】 ． 徐州 中国矿业大学出 版 社 ． 1 9 8 8 ． 窦林名， 何学秋． 冲击地压防治理论与技术[ M ] ． 徐州 中国 矿业 大学出版社 2 0 0 1 ． 1 0 ． 耿献文．矿山压力测控技术 [ M] ，中国矿业大学出版社， 2 2 作者简介 刘涛， 本科， 兖矿集团济宁二号煤矿生产技术科副科长， 从事冲击地压防治及矿山压力观测工作。 收稿 日期 2 0 1 3 3 2 3 上 接 第 7 4页 满足强度同时避免浪费 ，对于降低液压支架生产成 本具有一定意义 。 3 分析证 明， 用 P r o ／ E n g i n e e r 建模 ， 采用有限元 分析方式对 液压 支架 设计 质量进行评估是可行 的 ， 对于提高支架整体设计质量具有很大优势，在实际 工程中有着巨大 的应用潜力 。 参考文献 [ 1 】王进军， 贾新玲， 范迅． 放顶煤液压支架的整架强度有限元 分析『 J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 5 3 ． [ 2 】吴震， 王颖． 基于 A N S Y S Wo r k b e n c h液压支架整架有限元 分析 煤矿机械， 2 0 0 9 9 ． [ 3 ]马晓东， 赵峰_ 用有限元分析液压支架立柱超高压状态下缸 体和祝贺密封应力应 变f J 1 ． 煤矿现代化， 2 0 0 9 4 ． 作者简介 姜 1 9 7 7 一 ， 男、 汉族， 山东泗水人， 现为兖矿集团机电设 备制造厂销售公司总经理，主要从事液压支架销售及研发工 作。 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 1 Fi ni t e El e me n t An a l y s i s o f W ho l e Ca v i ng Hy d r a u l i c Su pp o r t M o d e l J i a n g Yu a n ， F e n g C h u a n ， Hu An - f e n g ， Wu C h e n g - f e n g Y a n c o n G r o u p E l e c t r o me c h a n i c a l E q u i p me n t Ma n u f a c t u r e r ， Z o u C h e n g 2 7 3 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c s u p p o r t i s o n e o f t h e i mp o r t a n t e q u i p me n t s o f f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g f a c e ． T h e i n v e s t me n t o f h y d r a u l i c s u p p o r t wi l l b e t w o t h i r d of c o a l mi n i n g f a c e i n v e s t me n t ． B e c a u s e of i t s o wn l i mi t i o n o f c o mmo n t e s t me t h o d ，i t C a l l ’ t a s s e s s d e s i g n q u a li t y i n d i v i d u all v ． T h e p a p e r b u l i d wh o l e c a v i n g h y d r a u l i c s u p p o rt mo d e l b y P r o ／ En g i n i e e r， i mp o rt t h e mo d e l i n t o AN S YS w o r k b e n c h t o a n a l y s i s t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n ． I t i s p r o v e d b y t e s t t h a t t h i s me t h o d h a s g r e a t a p p l i c a t i o n p o t e n t i a i n p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s u p p o rt； fi n i t e e l e me n t me t h o d ； a n a l y s i s ； w h o l e h y d r a u l i c s u p p o r t mo d e l 7 7