浅埋深工作面液压支架疲劳寿命分析.pdf

第 5期 总第 1 9 2期 2 01 5年 1 O月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL E NGI NEERI NG AUT0MAT1 0N No ．5 0c t ． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 5 0 5 0 1 3 1 0 2 浅埋深工作面液压支架疲劳寿命分析 孙 权 ，刘混举 ，李 博 1 ． 太原理_T - 大学 机械工程 学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 ；2 ．神 华神东煤 炭集 团 上榆泉煤矿 ，山西 河曲0 3 6 5 0 0 摘要 在浅埋深地质矿 区，由于煤层 开采地 质条件 的特 殊性 ，液压 支架 的结构 件在 使用 过程 中容 易发 生损 坏。根据液压支架使用工作现场采 集的数据，分析某型号液压支 架顶梁的受力情况，并利用 UG建立液压 支 架顶梁的三维模型 ，综合使 用 ANS YS及 L MS进行 分析计 算 ，对液 压支 架结构件 进行 疲劳寿命 分析 ，并将 分析结果与现场实 际情况进 行对比，验证分析结果 的正确性 ，为 以后液压 支架结构设计及优化提供 了一定 的 理 论 依 据 。 关键 词 液压支架 ；有 限元分析 ；疲 劳寿命 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 T P 3 9 1 ． 7 文献标识码 A 0 引言 液压支架是 综采工作 面机械装备 的重要组成 部 分 ， 是企业保证安全、 高效生产 的关键。液压支架不仅 为煤矿工人提供作业空间， 保证他们的人身安全 ， 而且 其投资比重也占到综采设备总投 资的 7 O 以上， 因此 提高液压支架的可靠性具有很大的现实意义 。浅埋深 矿区的煤层深度一般不会超过 1 5 0 m， 其顶板 的结构 较为简单 ， 上面有较厚 的松散沙层 ， 顶板来压时动载明 显反应剧烈 ， 在该类型矿区工作面工作 的液压支架经 常会发生结 构件 的损坏现象 。为提高其 工作 的可靠 性 ， 在现场数据采集的基础上 ， 本文结合 UG三维建模 和 ANS YS仿真分析 ， 对某初撑力为 6 4 1 3 k N、 额定工 作阻力为 8 6 4 0 k N 的两柱掩护式液压支架来 压状态 下的应 力应变 情况进 行分析 ， 再结 合 L MS Vi r t u a 1 ． L a b D u r a b i l i t y软件实现液压支架的疲劳寿命分析 ， 从 而为液压支架 的设计提供一定的理论依据。 1 压 力数 据 采集 采用 KB J - 6 0 - 1液压支架工作 阻力连续记 录仪作 为监测设备 ， 其主要 是由计算机 、 数据采集器 、 数 字压 力计以及适配器四部分组成 。实际工作 中设有多个监 测点 ， 由压力计记录各个测点的压力值， 再传输给对应 的分析软件进行数据处理 ， 最终得到液压支架工作 阻 力 变化 情 况 ， 如 图 1所示 。 由图 1可知， 初次来压时 ， 工作阻力迅速增大 ， 当 达到最大值后会保持一段时间。数据采集器采集到的 数据表明工作面液压支架的工作阻力最大约为 4 1 MP a ， 是额定工作阻力的 9 6 ． 7 ， 其他支架 的工作 阻力都在 6 7 4 6 k N／ 架 ～8 4 3 0 k N／ 架之 间 。 当周期来压时 ， 数据采集器 采集 到的数据表 明液 压支 架最 大 工作 阻力 为 4 1 ． 7 2 MP a ， 是 液 压 支 架 额 定 工作阻力 的 9 8 ． 3 ， 而非周期来压 时为 3 0 ． 1 7 MP a ， 工作面支架 的平均工作 阻力 为 8 1 2 0 k N／ 架 ， 是额定 工 作 阻力 的 9 3 ． 9 。 10 罨一 图 1 j 硬压 支 架 工 作 阻 力变 化 曲 线 2 液压 支 架结构 件 的有 限元 分析 2 ． 1 建立 结构件 三 维 实体模 型 液压支架结构件整体采用薄壁多腔室箱形结构 ， 内部结构复杂， 箱型结构 由高强度板材焊接而成。为 简化建模及后续的处理过程 ， 用 UG建模时， 对液压支 架结构件进行如下简化 去除为方便生产 和安装而加 工的孔和圆角； 忽略焊缝对结构件的影响； 去除侧护板 上为安装侧护板液压缸而加工的孑 L 。 在简化过程中应遵循 以下原则 ①保 留对液压支 架整体强度影响较大 的结构 ； ②各个零部件整体尺寸 不变； ③可能发生应力集中的要素不简化 。 通过 简化 最终 得 到 的液 压支 架结 构件 的三 维模 型 如 图 2 所 示 。 2 ． 2 单 元 选择和 材料 特性 考虑到液压支架为复杂箱 型结构 ， 并且空 间受力 不对 称 ， 因此在建模 时采用三维实体单 元 S o l i d 1 8 5 。 假定液压支架各结构件板材的强度都保持一致， 且母 材和焊缝处都没有任何缺陷。在设置材料属性时取弹 性模量 E2 ． 0 7 1 0 MP a ， 泊松 比 一0 ． 3 ， 材料密度 p 7 ． 8 5 1 0 。k g ／ m。 ， 采 用 自由 网格 划 分 方 法 对建 立 的模型进行网格划分 ， 并对销轴孔 、 耳座等应力变化较 大的部位进行适当的网格细化。最终得到的网格划分 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 2 1 ；修订 日期 2 0 1 5 0 6 2 1 作者简介 孙权 1 9 7 7 一 ，男，内蒙古鄂尔多斯人，工程师，在读工程硕士 ，主要研 究领域 矿山机械设 备。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m