液压支架的结构强度与疲劳寿命分析.pdf

分类号 UDC 密级 学位论文 液压支架的结构强度与疲劳寿命分析 作者姓名洪岸柳 指导教师谢里阳教授 东北大学机械工程与自动化学院 申请学位级别硕士 学科类别工学 学科专业名称机械设计及理论 论文提交日期2 0 1 2 年6 月论文答辩日期 学位授予日期．．2 0 a 2 辱7 刁 答辩委员会主席 评阅 人王需于4 凄波 东北大学 2 0 1 2 年6 月 2 0 1 2 年7 月 孔群午 万方数据 AD i s s e r t a t i o ni nM e c h a n i c a lD e s i g na n dT h e o r y S t r u c t u r a lS t r e n g t ha n d F a t i g u eL i f eA n a l y s i s o fH y d r a u l i c s u p p o r t B yH o n gA n l i u S u p e r v i s o r P r o f e s s o rX i eL i y a n g N o r t h e a s t e r nU n i v e r s i t y J u n e2 0 1 2 ㈣哗㈣伯㈣川 万方数据 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二￡E 思。 学位论文作者签名歹{ { 锋桶f 日 期御哥6 ，1 7 7 毋 学位论文版权使用声明书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后 半年∥一年口一年半口两年口 学位论文储虢积肖嘶导师虢叨1 杪叽 签字日期加， 年‘砷L7 日签字日期砌t 』争‘呵≯夕日 万方数据 东北大学硕士学位论文 摘要 液压支架的结构强度和疲劳寿命分析 摘要 液压支架是煤矿机械化开采的主要设备之一，在井下工作过程中承受多种复杂载荷 的作用，是保证作业空间和安全生产的关键。由于液压支架结构形状复杂，运用经典力 学的方法对其进行结构强度、刚度和疲劳寿命的精确分析往往比较困难，因此需采用新 的方法以满足现代产品的设计要求。 本文首先基于液压支架的结构分析，利用S o l i d w o r k s 三维建模软件和A n s y s W o r k b e n c h 建立了Z F 5 0 0 0 ／1 6 ／2 8 的有限元模型，根据支架的受力状况分1 4 种工况采用 线弹性有限元分析方法进行了整架的结构强度分析，在极端工况下出现了最大等效应力 值超过材料强度极限的情况，支架不能满足强度要求。接着，对该液压支架进行了无预 应力和有预应力两种情况下的模态分析，得到的频率和振型表明不会发生共振。 基于结构非线性分析理论，在极端工况下对液压支架整架进行了材料非线性分析， 得到的最大等效应力值相比线弹性分析有了很大的降低，低于了材料的强度极限，支架 强度满足要求；但支架整体的应力分布情况基本相同，表明支架的塑性变形只是区域性、 局部性的存在。根据以上结论提出了在一定条件下线弹性分析结果可用性的理论。同时， 对液压支架的关键部件柱窝和销轴进行了接触非线性分析，得到了相应的应力分布和破 坏形式。 采用电测法进行了试验验证，表明了支架有限元模型的正确性。 基于应力分析的结果，采用疲劳分析方法，利用A n s y sW o r k b e n c h 的F a t i g u e 模块 对液压支架在耐久性试验和随机载荷下进行了疲劳寿命分析，得到了相应的寿命值。 最后，对进一步的工作方向进行了展望。 关键词液压支架；有限元方法；结构强度分析；模态分析；结构非线性分析；疲劳寿 命分析 一I I 万方数据 东北大学硕士学位论文 S t r u c t u r a lS t r e n g t ha n d F a t i g u eL i f eA n a l y s i so f H y d r a u l i cs u p p o r t A bs t r a c t H y d r a u l i cs u p p o r ti so n eo ft h em a i ne q m p m e mi nm e c h a n i z e dc o a lm i n i n g ，i ti st h ek e y t oe n s u r et h eo p e r a t i o ns p a c ea n ds a f ep r o d u c t i o n ，a n de n d u r i n gv a r i a b l ea n dc o m p l e xl o a d s ． D u et oi t sc o m p l i c a t e ds h a p e ，i ti sd i f f i c u l tt oa n a l y z eh y d r a u l i cs u p p o r t ’Si n t e n s i t y , s t i f f n e s s a n df a t i g u el i f ea c c u r a t e l yb yt h ec l a s s i c a lm e t h o d ，a n dn e wm e t h o d st om e e tt h e r e q u i r e m e n t s o fm o d e r n p r o d u c td e s i g na r en e e d e d ． F i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r eo fh y d r a u l i cs u p p o r t ，Z F 5 0 0 0 ／16 ／2 8f i n i t e e l e m e n tm o d e li se s t a b l i s h e db yu s i n gS o l i d w o r k s3 Dm o d e l i n gs o f t w a r ea n d A n s y s W o r k b e n c h ，a n di t ss t r u c t u r a li n t e n s i t yi sa n a l y z e db yu s i n gl i n e a re l a s t i cf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i sm e t h o di nf o u r t e e nw o r k i n gc o n d i t i o n s ．I nt h ee x t r e m ec o n d i t i o n s ，t h es u p p o r tc a n n o t m e e tt h e s t r e n g t hr e q u i r e m e n t s ．T h e n ，i t sm o d a li sa n a l y z e di nt w oc a s e sw h i c ha r e n o n 。p r e ’s t r e s s e da n dp r e ‘s t r e s s e d ，a n dt h ef r e q u e n c ya n dv i b r a t i o n t y p e i n d i c a t e st h a t r e s o n a n c ew i l ln o to c c u r ． B a s e do nt h en o n l i n e a ra n a l y s i st h e o r yo fs t r u c t u r e ，t h ew h o l es u p p o r ti s a n a l y z e db y m a t e r i a ln o n l i n e a rw a y ．T h em a x i m u me q u i v a l e n ts t r e s sv a l u eh a sb e e ng r e a t l yr e d u c e d c o m p a r e dw i t ht h el i n e a re l a s t i ca n a l y s i s ，a n di t ss t r e s si sb e l o wt h em a t e r i a l ’Su l t i m a t e s t r e n g t h ．T h es t r e n g t ho fs u p p o r tm e e t st h er e q u i r e m e n t ；b u tt h ew h o l ed i s t r i b u t i o no ft h e s t r e s sv a l u ei sb a s i c a l l yt h es a r n e ，i ti n d i c a t e st h a tt h ep l a s t i cd e f o r m a t i o ni sr e g i o n a la n dl o c a l e x i s t e n c e ．A c c o r d i n gt ot h ec o n c l u s i o n ，a ni n f e r e n c ep u tf o r w a r dw h i c ht h er e s u l t sb yu s i n g l i n e a re l a s t i c a n a l y s i sm e t h o di sa v a i l a b i l i t y ．W h a t ’Sm o r e ，t h em a i nc o m p o n e n tp a r to f h y d r a u l i cs u p p o r tc o l u m nn e s ta n dp i ns h a f ta r ea n a l y z e db yc o n t a c tn o n l i n e a rw a y , t h es t r e s s d i s t r i b u t i o na n df a i l u r ef o r ma r ea c q u i r e d ． S e c o n d l y , t h ea n a l y s i sr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h er e s u l t so ft h ee l e c t r i cm e a s u r e m e n t ． I tp r o v e st h a tt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e li st i g h t ． T h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs t r e s sa n a l y s i s ，t h el i f ei sc a l c u l a t e di nt h ed u r a b i l i t y t e s ta n dt h er a n d o ml o a d i n gb yA n s y sW o r k b e n c hF a t i g u ei nt w of a t i g u ea n a l y s i sm e t h o d s ． F i n a l l y , t h ep r o b l e m sr e q u i t i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d ． 一T T T 万方数据 东北大学硕士学位论文 A b s t r a c t K e yw o r d s H y d r a u l i cs u p p o r t ；F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；S t r u c t u r ei n t e n s i t ya n a l y s i s ；M o d a l a n a l y s i s ；S t r u c t u r en o n l i n e a ra n a l y s i s ；F a t i g u el i f ea n a l y s i s I V 万方数据 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I A b s t r a c t ⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．．⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．．．I I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 论文的来源、目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 论文的来源及选题依据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”1 1 ．1 ．2 论文研究的目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．2 液压支架国内外发展历程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 国外放顶煤液压支架的发展概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．2 国内放顶煤液压支架的发展概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 论文研究的内容及关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．1 论文研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 1 ．3 ．2 拟解决的关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 第2 章液压支架的结构强度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 液压支架概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 ．1 液压支架的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 ．1 ．2 液压支架的主要结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ．1 ．3Z F 5 0 0 0 ／1 6 ／2 8 型液压支架简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 液压支架有限元分析技术的现状及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．1 国外液压支架有限元法分析的研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 ．2 ．2 国内液压支架有限元法分析的研究概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 液压支架有限元模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．1 液压支架模型的简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．2 有限元软件的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．3 ．3 有限元网格的划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 液压支架整体强度的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．4 ．1 材料属性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．4 ．2 计算工况的分析及确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 一V 一 万方数据 东北大学硕士学位论文目录 2 ．4 ．3 外载荷、接触方式及约束的设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．4 ．4 销轴连接的设置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．4 ．5 应力计算及结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．4 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 2 ．5 液压支架的模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 2 ．5 ．1 液压支架模态分析的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 2 ．5 ．2 模态分析理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 2 ．5 ．3A n s y s 模态提取方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 2 ．5 ．4 模态分析结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 第3 章液压支架的结构非线性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．1 非线性基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 3 ．1 ．1 几何非线性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．1 ．2 材料非线性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 3 ．1 ．3 接触非线性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．2 液压支架的材料非线性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．2 ．1 材料数据的获取⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．2 ．2 应力计算及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 3 ．2 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 3 ．3 柱窝的接触非线性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 3 ．3 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 3 ．3 ．2 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 3 ．4 销轴的接触非线性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 3 ．4 ．1 模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 3 ．4 ．2 应力结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 第4 章液压支架的应力测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．1 测试目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．2 电阻应变仪测试技术简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．2 ．1 基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．2 ．2 特点及使用范围⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 一V I 万方数据 东北大学硕士学位论文 目录 4 ．3 试验方案及内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 4 ．3 ．1 主要试验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 4 ．3 ．2 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．3 ．3 试验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 4 ．4 数据处理和试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 4 ．4 ．1 测试数据处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 4 4 ．4 ．2 测试结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 4 ．5 测试值与有限元计算值的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 6 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 第5 章液压支架的疲劳寿命分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．1 疲劳分析的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．1 ．1 疲劳分析的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．1 ．2 疲劳的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．1 ．3 疲劳寿命分析方法及其基本步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．1 ．4 疲劳寿命分析方法的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．2 局部应力应变法估算疲劳寿命⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．2 ．1 耐久性试验载荷谱的编制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．2 ．2 材料￡．N 曲线的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．2 ．3 耐久性试验疲劳寿命分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 4 5 ．2 ．4 随机变幅应力下的疲劳寿命分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 第6 章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 6 ．1 结{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．81 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 一V I I 万方数据 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 ．1 论文的来源、目的及意义 液压支架是煤矿机械化开采的主要设备之一，通过与围岩的相互作用，控制工作面 作业区顶板岩层，为工作面提供安全作业空间，其适应性和可靠性是决定综采成败的关 键。 1 ．1 ．1 论文的来源及选题依据 国内外研究和生产实践表明，煤炭生产的安全高效和现代化是当今国际的发展方向， 也是我国煤炭工业的必然选择。煤炭综采装备能有效地提高开采效率和安全系数，因此 在现代化的煤炭开采中广泛使用。运输机、采煤机和液压支架构成了煤炭综采设备。作 为保证煤炭机械化生产的综采工作面安全、高效运行主要设备的液压支架，其重量约占 综合采煤设备总重量的8 0 ％9 0 ％，其费用约占综合采煤设备总费用的6 0 ％～7 0 ％。因此， 为了降低成本，提高采煤的经济效益，世界各主要产煤大国都一直在积极地开展液压支 架的研究【1 1 。 目前，我国高端液压支架和部分运输设备等开采装备关键技术已经达到或接近国际 先进水平，综采放顶煤开采装备技术处于国际领先地位。高端液压支架和电液控制系统 已基本实现国产化，结束了依赖进口的历史，国产成套综采设备技术开始出口。但是， 在采煤机整体性能及可靠性，液压支架材料、液压元件可靠性方面距国际先进水平还存 在差距，需要进一步加强科技创新，不断提高液压支架的制造水平。 随着煤炭工业的迅速发展及综合机械化采煤方法的应用，促使液压支架设计技术不 断提高，单机重量不断地加大，投入的钢材逐渐增多。因此，在保证使用性能的基础上， 力求减少支架重量，降低成本，使支架轻型化，有着极其重要的现实意义【2 】。 本课题来源于东北大学与郑州四维机电设备制造有限公司合作项目液压支架有限 元分析、应力测试及强度评估体系研究。郑州四维机电设备制造有限公司是集科研开发、 设计制造于一体的煤炭综采支护设备“液压支架”专业生产企业。本次合作完成了两套 液压支架产品分析、测试工作。具体包括分析计算和试验测试，对比两者的结果，分析 液压支架的应力分布，进行关键零部件 销轴、柱窝 的分析，进行液压支架结构非线 性分析，通过模态分析得到支架固有频率，最后进行疲劳寿命分析。 企业通过此项目的合作，在以后的支架设计中首先利用有限元分析软件模拟支架整 体在不同工况下的受载情况，得到其各部位的应力及位移分布情况，这样就能及时发现 万方数据 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 设计缺陷，为优化设计提供参考，同时可根据分析数据进行优化材料配比，减轻重量。 有效避免现场测试造成的费时、费力、费料，从而有效缩短产品的生产周期并合理降低 成本。 1 ．1 ．2 论文研究的目的及意义 本次将要研究的产品为郑州四维有限公司设计制造的液压支架，公司进行液压支架 有限元分析研究旨在提高有限元分析计算的能力从而提高生产效率以及降低设计成本。 课题研究的目的 1 进行液压支架有限元静强度计算，根据国家标准制定的各种试验工况采用不同 方法进行有限元分析，得到相应合适的有限元计算方法。其主要内容包括在计算过程中 设置不同的接触方式，如接触部位的有摩擦计算、无分离计算和绑定计算等，确定最合 理的有限元模型。 2 通过液压支架结构非线性分析，对整体强度分析进行补充，根据弹塑性分析结 果对线弹性分析分析结果的可用性进行判断；确定柱窝以及销轴处的应力分布及破坏形 式。 3 确定液压支架静强度的试验测试方法以及数据处理方法。并对测试结果和计算 结果进行比较和分析，总结各种载荷工况下有限元计算的约束、载荷、接触设置及结构 件应力分布特点和变形规律。 4 进行模态分析，在产品设计过程中避免可能的共振。 5 进行疲劳强度分析，得到耐久性试验及随机载荷下的疲劳强度，为液压支架的 设计提供参考。 课题研究的意义 本文以经典的有限元理论和疲劳分析理论为基础，将有限元分析软件、疲劳分析软 件和传统的试验技术相结合，对液压支架进行工程模拟及有限元分析，得到各部位的应 力及位移分部情况，并与试验测试值比较，接着对液压支架进行疲劳强度分析，得到其 疲劳强度特性，使产品在设计阶段就可以验证设计方案能否满足具体的使用要求，节省 了大量的设计费用，增加了产品的可靠性，从而增强企业在市场上的竞争力。 1 ．2 液压支架国内外发展历程 ． 由液压支架、刮板输送机和采煤机作为主要配套设备组成的工作面综采设备是保证 高产高效综采技术的核心设备，是综合机械化采煤现代化的重要标志。 液压支架在综合机械化采煤中起到的是将采煤机和运输机在工作面上进行推移以 一2 一 万方数据 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 及支护顶板防止煤层掉落、维护作业空间保证作业人安全的作用，在综合机械化采煤工 作中起重要作用，其重量约占综合采煤设备总重量的8 0 ％～9 0 ％，其费用约占综合采煤 设备总费用的6 0 ％～7 0 ％。因此，对液压支架的研究意义重大。本文主要研究的是放顶 煤液压支架，因此对其发展概况做简要介绍p J 。 1 ．2 ．1 国外放顶煤液压支架的发展概述 放顶煤开采方法很久以前就用于特厚煤层开采。早在1 0 0 多年前，法国、西班牙和 南斯拉夫就已应用放顶煤开采。在当时，只是作为复杂地质条件下的一种特殊采煤方法。 目前，法国仍然部分采用房柱式和仓储式采煤方法。本世纪的年4 0 代末和5 0 年代初， 法国、南斯拉夫等国开始利用长壁和短壁工作面放顶煤开采，工作面支护使用单体金属 支柱和金属顶梁，采用刮板输送机运送煤炭，工作面为爆破落煤。最初，为了更好地控 制工作面顶板，留有顶煤护顶，回采时回收部分顶煤，以减少煤炭损失。在取得成功和 累积经验的基础上，发展成为回采特厚煤层的一种主要开采方法。 前苏联1 9 5 7 年就研制出K T Y 型放顶煤液压支架，并在库兹巴斯煤田的托姆乌辛斯 克煤矿使用，开采该矿的2 号和4 ～5 号煤层。煤厚为9 - 1 2 m 煤层倾角5 0 ～1 8 0 。此放顶 煤工作面为预先开采放顶煤，铺设人工假顶，然后再采煤底。采用具有单输送机的K T Y 纯掩护式放顶煤支架回收顶煤。法国1 9 6 3 年研制用于放顶煤综采的支撑掩护式放项煤 液压支架，并且于1 9 6 4 年在布朗奇矿区试验成功。这种支架配有两台刮板运输机。如 果煤厚较大，可实施分两层放顶煤综采。也可以采上层时只用单输送机采煤，由沿底板 的下层放顶煤工作面回收顶煤，此时支架采用双输送机，后输送机专运放落的顶煤。自 7 0 年代开始，法国，前西德。英国等国陆续研制成功了开天窗的支撑掩护式或带伸缩掩 护板的支撑式放顶煤液压支架。这两类支架都配有双输送机运煤，靠单滚筒或双滚筒采 煤机采煤，然后由掩护梁上的窗口放出项煤。8 0 年代初，匈牙利研制成功单输送机前开 天窗式放顶煤掩护支架，机采煤炭与放落顶煤均用此单输送机运输，在实际使用中，取 得了良好的效果【4 J 。 由于放顶煤工作面实现了综合机械化开采，工作面产量、进尺、功效成倍增加、炸 料等材料消耗大为减少，适用的煤层范围也不断扩大，因此在继法国、前苏联之后，南 斯拉夫、波兰、捷克、罗马尼亚、西班牙、印度、韩国、土耳其、中国等也陆续采用放 顶煤综合机械化开采。 1 ．2 ．2 国内放顶煤液压支架的发展概述 我国综采放顶煤开采始于1 9 8 2 年，是有郑州煤矿机械厂、煤炭科学研究总院北京 一3 一 万方数据 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 开采所、沈阳煤研所共同研制的F Y 4 0 0 ．1 4 ／2 8 中位放顶煤支架在沈阳局蒲河矿安装试验。 1 0 多年来得到了迅速的发展，截止到1 9 9 3 年，已经在1 3 个省的2 6 个矿务局5 9 个工作 面使用，达到了日产万吨，月产3 1 万吨，年产2 5 3 万吨的生产水平，成为世界上综采 放顶煤开采技术发展最快，拥有放顶煤液压支架数量最多的国家。我国放顶煤液压支架 从1 9 8 4 年至1 9 9 2 年上半年己发展到4 2 套，3 2 个品种，占世界总数的6 6 ％。 1 9 7 4 年和1 9 7 9 年我国先后从英国、原联邦德国以及波兰三国的五大公司进口了4 3 套和1 0 0 套综采设备。同时根据我国煤层赋予条件和矿压特点，我国广大矿压工作者对 1 0 0 个综采工作面进行了矿压观测，积累了大量原始数据，为我国液压支架的设计提供 了科学依据，促进了国产液压支架设计和制造水平的明显提高。 目前，国内已经实现液压支架设计C A D 三维设计，并开发出了具有国际先进水平 的液压支架模拟仿真系统和支架参数优化设计软件系统。经过3 0 多年的发展，我国液 压支架研制水平基本达到国外同期水平1 5 J 。 1 ．3 论文研究的内容及关键技术 1 ．3 ．1 论文研究的内容 1 分析液压支架结构型式及特点。 2 根据所研究的液压支架，采用三维设计软件S o l i d w o r k s 建立实体模型，并在不 损失计算精度的前提下尽量简化模型，使模型适合有限元分析计算且能精确的反映原有 模型的受力情况和边界条件。 3 对液压支架整架进行有限元分析。重点研究主体结构件连接处销轴与销孔的接 触方式及柱窝与立柱接触部位受载情况下的接触。极端工况下应考虑材料的塑性变形， 因此采用弹塑性有限元方法进行补充计算。分析结果，得出支架的应力分布规律。 4 了解中国煤炭行业标准M T 3 1 2 ．2 0 0 0 液压支架通用技术条件、欧洲标准 E N l 8 0 4 ．1 2 0 0 1 E 地下采矿机械液压矿顶支撑物的安全要求支撑装置及一般要求和 德国D B T 支架试验标准的支架型式试验的加载方式。结合国内外三种标准的试验工况 的不同要求，编制液压支架型式试验方法，确定所研究支架型式试验加载方式，在 试验中在支架关键部位布置测点。 5 对比有限元分析结果与实际应力测试结果，分析理论与实际出现差异的原因。 具备通过对建立的计算模型的分析计算，较准确预测实际试验产品静强度的能力。 6 对液压支架进行模态分析及疲劳寿命估计，获取其固有频率及疲劳寿命，对液 压支架进行全面分析。 一4 一 万方数据 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 ．3 ．2 拟解决的关键技术 1 考虑液压支架的复杂结构，进行适当的模型简化处理，建立合理的有限元模型。 在不同软件之间进行数据转换，确保关键数据不流失，使分析结果有效可用。 2 液压支架由多个部件组成，结构和载荷复杂，局部区域变形较大，有时呈现明 显的几何非线性，各零部件配合面之间存在接触问题及变形协调问题。因此在分析过程 中，选择合理的载荷、约束及接触方式，使有限元计算接近真实工况。在有限元分析中， 选择合理的单元类型和网格大小以保证分析的精度。 3 根据有限元计算结果，总结支架的应力分布规律，提出合理的假设使得有限元 计算有较高的效率且结果准确可用。 4 充分考虑液压支架的使用环境情况，制定合理的支架型式试验方案，采用合理 的试验方法进行实际测试。 5 根据液压支架的使用情况制定载荷谱，获取液压支架材料的E - N 曲线，采用合理 的疲劳寿命分析方法分析疲劳寿命。 一5 一 万方数据 东北大学硕士学位论文 第2 章液压支架的结构强度分析 第2 章液压支架的结构强度分析 2 ．1 液压支架概述 2 ．1 ．1 液压支架的工作原理 液压支架的综采工作面的设备布置如图2 ．1 所示，图中右侧为放顶煤液压支架，箭 头表示采煤工作面前和液压支架的前进方向。为了及时支护采用先移后推溜的工作方式。 一个循环包括降柱、移架、升柱、推溜4 个动作。随着采煤面的前进，按次序搬动操作 阀，使顶梁下降，支架前移，到达预定位置后，顶梁升起支护顶板，再通过支架的推移 千斤顶，将输送机推向煤壁【6 】。 图2 ．1 放] 页煤液压支架综采工作面设备布置 F i g ．2 ．1T h ee q u i p m e n tl a y o u to ff u l l ym e c h a n i z e dm i n i n gf a c eo fc a v i n gh y d r a u l i cs u p p o r t 液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移4 个基本动作，这些动作是利用 泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液缸来完成的。其液压系统工作原理如 图2 ．2 所示。当需要支架上升支护时，立柱的活塞腔流入高压乳化液，另一腔回液，推 动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁紧密接触顶板。当需要支架下降时，立柱的活塞 腔流入高压液，另一腔回液，活塞腔被迫下降，将顶梁和顶板脱离开来。位于底座上的 推移千斤顶推动输送机和支架前移。当支架需要前移时，先进行的步骤是降柱卸载，然 后推移千斤顶的活塞杆腔流入高压液，另一杆腔回液，缸体前移，整个液压支架在作为 支点的输送机的帮助下向煤壁移动。当输送机需要推移时，先用支架支撑起顶板，然后 向推移千斤顶的活塞腔注入高压液，另一活塞腔回液，使活塞杆伸出，输送机在作为支 一6 一 万方数据 东北大学硕士学位论文 第2 章液压支架的结构强度分析 点的支架的帮助下向煤壁移动【7 1 。 7 液体 6 ．立柱操纵阀；7 ．推移千斤顶操纵阀； 图2 ．2 液压系统工作原理 F i g ．2 ．2T h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fh y d r a u l i cw o r ks y s t e m 2 ．1 ．2 液压支架的主要结构 本文研究的液压支架为放顶煤液压支架，放顶煤液压支架主要应用于厚煤