液压支架虚拟压架试验方法研究.pdf

论文题目液压支架虚拟压架试验方法研究 专 业机械制造及其自动化 硕 士 生徐 鹏 博 （签名） 指导教师郭 卫 （签名） 摘 要 液压支架是煤矿机械化综采工作面的主要设备，其性能的好坏对煤矿的安全生产起 着至关重要的作用。针对液压支架传统的物理压架试验耗时耗力的缺点，利用虚拟样机 技术和有限元技术对液压支架进行虚拟压架试验，旨在提高设计质量和产品一次设计成 功率、缩短研发周期，节约人力、物力和资金。主要作了以下工作 应用虚拟样机技术，在 Pro/E 软件中建立了 ZY8700/17/32 型液压支架的整机虚拟 样机模型，进行了运动学仿真，旨在检查液压支架的干涉性；利用 Adams 软件对液压支 架整机进行了动态仿真，得到液压支架立柱的载荷历程；利用 Hypermesh 软件进行了有 限元前处理（包括模型简化、网格划分、约束处理、定义载荷和材料属性等） ，将有限 元前处理的模型导入到 Ansys 中进行有限元分析，得到了各种工况下的应力应变数据； 在 Ansys Ncode Designlife 软件中调用液压支架顶梁两端集中载荷工况下的有限元分 析数据和动态分析的液压支架立柱载荷历程数据，对 ZY8700/17/32 型液压支架进行了 耐久性仿真分析，得到液压支架整机寿命云图和各个节点的寿命。 本文利用虚拟样机技术通过对 ZY8700/17/32 型液压支架的强度试验和耐久性试验 的研究，旨在探索液压支架虚拟压架试验方法的正确性和有效性，同时进一步验证该架 型液压支架的抗疲劳性能。 关 键 词液压支架；有限元技术；虚拟样机技术；耐久性试验 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Research of hydraulic support virtual crushing test Specialty Mechanical manufacturing and automation Name Xu Pengbo （（Signature）） InstructorGuo Wei （（Signature）） ABSTRACT Hydraulic support is a major equipment mechanization of coal mine fully mechanized working face, the stand or fall of the perance of coal mine safety production plays a vital role. In view of the hydraulic support traditional physical crushing test time-consuming disadvantages, virtual crushing experiment of hydraulic support was carried out using virtual prototype technology and finite element technology, aiming to improve the quality of design and product design success rate, shorten the development cycle, and save manpower and material resources and money. The main work is as follows The support virtual prototype model ZY8700/17/32 type of the whole machine has been built in Pro/E software through the virtual prototype technology, the kinematics simulation has been carried on with the purpose of checking the condition of hydraulic support. The dynamic simulation of hydraulic support has been carried on using the Adams software, and the loading course of the hydraulic support column is obtained. The finite element pre-treatment including model simplification, meshing, constraint handling, loading and material properties, etc. has been carried out through Hypermesh software, besides, the finite element model of pretreatment is imported into Ansys finite element analysis, the stress and strain under various working conditions data have been gotten. The hydraulic support on both ends of the top beam under concentrated load cases analysis and dynamic finite element analysis data of the hydraulic support column load history data are called in Ansys Ncode Designlife software, ZY8700/17/32 type hydraulic support for the durability of the simulation analysis has been done, the hydraulic support the whole cloud service life and the life of each node have been gotten. In this paper, by using virtual prototype technology ZY8700/17/32 type hydraulic support strength test and durability test have been researched, in order to explore the hydraulic support virtual crushing as well as the correctness and validity of test s, and 万方数据 the fatigue perance of the frame type hydraulic support is further validated. Key words Hydraulic support; finite element technology; virtual prototype technology; durability test Thesis Applied Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论 ........................................................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义 .............................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状与发展趋势 ....................................................................................................... 2 1.21 国外液压支架研究现状与发展趋势 ................................................................................... 2 1.2.2 国内液压支架研究现状与发展趋势 .................................................................................. 2 1.2.3 液压支架试验技术现状 ......................................................................................................... 3 1.3 主要研究内容与技术路线 ............................................................................................................ 4 1.3.1 研究目的 .................................................................................................................................... 4 1.3.2 研究内容 .................................................................................................................................... 5 1.3.3 技术路线 .................................................................................................................................... 6 2 液压支架试验方法 ................................................................................................................................ 8 2.1 强度试验 ............................................................................................................................................ 8 2.1.1 顶梁两端集中载荷 .................................................................................................................. 9 2.1.2 顶梁扭转 .................................................................................................................................... 9 2.1.3 顶梁偏载 .................................................................................................................................. 11 2.1.4 底座两端集中加载 ................................................................................................................ 12 2.1.5 底座扭转 .................................................................................................................................. 12 2.1.6 强度试验检验标准 ................................................................................................................ 14 2.2 液压支架试验应力分析 .............................................................................................................. 14 2.3 耐久性试验 ..................................................................................................................................... 16 2.4 本章小结 .......................................................................................................................................... 16 3 ZY8700/17/32 液压支架虚拟建模及载荷历程的确定 ............................................................... 17 3.1 建模与仿真软件的选择 .............................................................................................................. 17 3.1.1 建模软件 .................................................................................................................................. 17 3.1.2 仿真软件 .................................................................................................................................. 17 3.2 支架模型的建立 ............................................................................................................................ 18 3.2.1 ZY8700/17/32 型液压支架 .................................................................................................. 18 3.2.2 主要部件建模 ......................................................................................................................... 19 3.2.3 支架装配 .................................................................................................................................. 20 3.3 载荷历程的确定 ............................................................................................................................ 21 3.3.1 工况的确定 .............................................................................................................................. 21 3.3.2 边界条件和外载荷的确定 .................................................................................................. 22 万方数据 目录 II 3.3.3 仿真结果分析 ......................................................................................................................... 22 3.4 本章小结 .......................................................................................................................................... 23 4 ZY8700/17/32 液压支架强度分析 ................................................................................................... 25 4.1 有限元法的理论基础 ................................................................................................................... 25 4.1.1 有限元法的基本思想 ............................................................................................................ 25 4.1.2 有限元分析步骤 ..................................................................................................................... 26 4.2 液压支架有限元模型的建立 ..................................................................................................... 27 4.2.1 网格划分 .................................................................................................................................. 27 4.2.2 单元类型的选择 ..................................................................................................................... 28 4.2.3 材料、约束与载荷的定义 .................................................................................................. 29 4.3 有限元仿真结果与分析 .............................................................................................................. 31 4.4 本章小结 .......................................................................................................................................... 36 5 ZY8700/17/32 液压支架疲劳耐久性试验 ..................................................................................... 37 5.1 疲劳的定义 ..................................................................................................................................... 37 5.2 疲劳分析的一般方法 ................................................................................................................... 37 5.2.1 名义应力法 .............................................................................................................................. 37 5.2.2 局部应力应变法 ..................................................................................................................... 38 5.2.3 损伤容限法 .............................................................................................................................. 38 5.3 ZY8700/17/32 液压支架疲劳仿真 ............................................................................................ 38 5.3.1 疲劳仿真分析流程 ................................................................................................................ 38 5.3.2 液压支架疲劳仿真结果分析 .............................................................................................. 39 5.4 本章小结 .......................................................................................................................................... 42 6 结论与展望 ........................................................................................................................................... 43 6.1 结论 ................................................................................................................................................... 43 6.2 展望 ................................................................................................................................................... 43 致谢 .............................................................................................................................................................. 45 参考文献 .................................................................................................................................................... 46 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究背景及意义 中国是世界第一大煤炭生产与消费国， 2013 全年能源消费总量 37.5 亿吨标准煤， 比上年增长 3.7。煤炭消费量增长 3.7[1]。在今后相当长时期内中国以煤为主要能源 的生产和消费结构不会改变。综合机械化采煤是煤矿开采技术现代化的重要标志，80 年代以来，世界主要产煤国家高产高效综采技术迅速发展[2]，综采设备是指综合机械化 采煤工作面机电设备的总称，是将各种相对独立的机械合理地组合在一起协调工作, 使 煤矿采煤工作面的全部工序实现机械化[3]。 图1.1 综采工作面 现代综合机械采煤工作面的液压支架具有很强的专用性， 在矿山开采中液压支架需 要及时支撑直接顶岩层，避免直接顶和基本顶离层、破碎，影响工作面的正常生产[4]。 液压支架在综采工作面中能够可靠地支撑和控制采煤工作面的顶板、有效地隔离采空 区、 防止矸石窜入回采工作面、 推进输送机、 维护正常的采煤机和刮板输送机作业空间、 保护井下工作人员的安全，它保证了综采工作面的高效有序运行，是综采工作面的重要 设备。液压支架的可靠性直接关系到煤矿开采效率和开采进度。 液压支架传统的研发方法，即“样机设计→制造物理样机→物理样机压架试验→修 改设计→小批量制造及批量制造”其存在着设计周期长、耗费大量的人力物力和资金的 缺点。针对这些缺点，本论文拟探索出“样机设计→三维建模→虚拟装配检验→动态仿 真→有限元分析→虚拟疲劳试验→制造物理样机→物理样机压架试验→小批量制造及 批量制造” 的产品研发方法， 旨在提高设计质量和产品一次设计成功率、 缩短研发周期， 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 2 节约人力、物力和资金。 1.2 国内外研究现状与发展趋势 1.21 国外液压支架研究现状与发展趋势 综合机械化采煤工作面的安全支护与煤矿的的高产高效息息相关， 因此世界各主要 产煤大国对支护设备的研发和制造投入了大量的人力和物力。 1954 年英国首先研制出木 制的垛式液压支架，并在生产实践中不断地改进完善，最终在煤矿生产中得到大规模应 用，使采煤过程中的落煤、装煤、运煤以及支护等工序实现了综合机械化[5]。随后法国 研制的节式液压支架开启了液压支架研究工作的技术革命。 前苏联在 20 世纪 60 年代初 期研制出了 OMKT 型掩护式支架，这种支架具有四连杆机构，使液压支架的研究工作 步入了一个新的里程碑。 到了 80 年代中期， 德国研发出最大开采高度为 6m 的掩护式支 架，使开采高度得到了极大的提升。美国是目前世界上最为先进的采煤大国，在 1994 年 80 个综采工作面中就有 70 个使用的是电液控制，占到了 87.5，80 套支护设备中两 柱掩护式液压支架共有 73 套占 91.25。基本实现了采煤工作面的快速推溜，移架速度 达到了 6～8s/架[6]，单个支架的工作阻力高达 6470KN9800KN 。 目前液压支架在国外综采工作面的应用非常广泛，其最大额定工作阻力达到 18000kN，支护高度 2.53.9m，平均支护强度 1.48MPa。控制方式为电液控制，一个工 作周期小于 10s， 设计的试验寿命高于 5 万次[7]。 材料为高强度钢板， 其屈服极限为 800～ 1000MPa[8]。综采工作面与液压支架电液控制系统之间通过接口进行信息传输和联合控 制，能实现综采工作面的遥控化和无人化 [9]。 就目前的现状来看，国外主要产煤大国的液压支架研发水平远远领先于国内。其设 计主要分为三个过程[10][11] （1）获取要开采的煤田的地质条件，确定支架的额定工作阻力，利用额定工作阻力 在 CAD 软件数据库中修改液压支架结构参数； （2）利用虚拟样机技术对液压支架进行运动学和动力学分析； （3）在 CAE 软件中对支架模型进行结构分析； 国外液压支架的设计工作基本上都是借助计算机来完成的， 其优点是缩短了设计周 期、降低开发成本、提高了设计效率，并且可以将新的液压支架资料存入液压支架数据 库中，以达到丰富液压支架的数据库的目的。 1.2.2 国内液压支架研究现状与发展趋势 我国虽是产煤大国，但在液压支架的研究方面相对于国外起步较晚，在 1964 年由 郑州煤机厂和煤炭科学院就总院太原分院研制出了 70 型迈步式自移支架，开启了我国 万方数据 1 绪论 3 液压支架的研发历史，上世纪 70 年代开始大规模的引进国外的液压支架。最近 20 年通 过对国外液压支架先进技术的理解消化，我国在液压支架研究方面有了长足的进步，自 主设计的液压支架在安全性、稳定性、可靠性等方面都有了显著地提高。设计的 ZY 系 列、ZYZ 系列、ZYQ 系列及 QY 系列液压支架可以适应不同煤田的地质条件，大采高 支架、铺网液压支架、薄煤层支架、大倾角支架等液压支架的种类趋于完善[12]。 2009 年山西潞安集团自主研制出了 12000 型大采高掩护式强力液压支架。2010 年 由山西晋城无烟煤矿业集团有限公司研制出的 7.6 米高端液压支架，创造了 5 项世界领 先、7 项世界先进、12 项领先的自主技术，其工作阻力最大、高度最高、护帮高度最高 等多项指标世界第一。 虽然我国自主设计生产的液压支架在工作阻力等方面超过国外生 产的液压支架，但我国研制的支架在安全与可靠性、电液控制系统等方面与国外先进支 架技术有着很大的差距。 我国液压支架的研发过程可分为三步[13]首先，确定液压支架的类型和额定工作阻 力；其次，根据选好的架型与额定工作阻力确定主要结构参数，依据结构参数设计出合 适的液压支架；最后，在液压支架制造厂完成液压支架的生产装配，并在物理试验台上 对液压支架进行压架实验。 近 10 年来液压支架主要向大采高的两柱掩护式和四柱掩护式的架型方向发展，研 发设计工作借助计算机来完成，设计的支架结构更加紧凑、性能参数更高、结构件的材 料要求越来越严格，支架的可靠性和寿命大幅度提高。国外的一些公司甚至要求耐久性 试验的次数高达 50000 次，支架的服役寿命不少于 14 年。 电液控制系统是液压支架发展的一个重要方向，采用电磁控制的先导阀，快速可高 的位移与压力、声光传感器，集成化系统化的微处理技术以及红外遥感等先进技术的应 用，使得液压支架的连续自移成为现实，其与采煤机的煤岩识别技术相配合，将实现综 采工作面的无人化控制[14]。 1.2.3 液压支架试验技术现状 压架试验是检验支架是否合格的不可或缺的环节， 通常规定一种新型号的支架在投 入使用之前，必须通过国家指定的专门机构对支架样机进行型式试验。型式试验主要任 务是模拟支架井下作业时的各种受载状况，对支架进行加载试验，以考核支架是否满足 安全和使用的要求，从而保证液压支架的质量。由于液压支架在井下的工况十分复杂， 为保证其安全可靠地使用，世界各主要产煤国家都制定了相应的试验规范。 英国在 1966 年开始实施液压支架试验规范，执行的试验内容包括强度与性能试 验；稳定性试验；零部件意外损坏试验;实用性设计试验；可靠性试验等。为规范液压支 架试验， 1976 年制定了液压支架试验规范 ， 20 世纪 90 年代后欧盟逐步形成了新 的统一标准液压支架的安全性要求 ，并于 1995 年 1 月正式试行。由于欧洲标准综合 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 4 了世界上最早研制液压支架的英、德等主要采煤国家的标准和研究成果，在世界上有很 大的影响力和权威性，从而成为各国公认的先进标准。位于匹兹堡美国矿业局研究中心 的矿山顶板模拟器，是目前世界上功能最齐全的大型液压支架试验设备。 我国于上世纪70年代开始着手制定液压支架试验规范,于1984年正式发布了第一个 液压支架试验标准 MT8684液压支架型式试验规范该标准是在引进消化国外液压 支架的基础上，结合我国液压支架研制和使用的经验，在参考了国外主要产煤国家标准 的基础上而制定的。该标准规定了支架的性能和强度试验的主要内容和加载方式，支架 耐久试验总次数等。 1992 年在 MT8684 的基础上进行修订， 发布了 MT3121992 液 压支架通用技术条件该标准进一步规范了液压支架的技术要求、试验方法和检验