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分类号 密 级 UDC 单位代码 10078 华北水利水电大学硕士学位论文 基于 ANSYS 的液压支架整机结构性能分析 PERANCE ANALYSIS OF HYDRAULIC SUPPORT STRUCTURAL BASED ON ANSYS 研 究 生 姓 名 康艳艳 指导教师 师素娟 专业名称 机械设计及理论 所 在 学 院 机械学院 2015 年 5 月 万方数据 独立完成与诚信声明 本人郑重声明所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进 行研究工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、 学术规范的侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他 人或集体已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北水利大学或其它教 育机构的学位或证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体， 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后 果由本人承担。 学位论文作者签名 保证人（导师）签名 签字日期 签字日期 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利大学有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北 水利大学可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索， 并 采用影印、缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文原件或复印件和电子文档。 （涉密的学位论文在 解密后应遵守此规定） 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 签字日期 万方数据 摘要 I 基于 ANSYS 的液压支架整机结构性能分析 摘摘 要要 液压支架是采煤工作面的重要支护设备， 对煤矿安全高效生产起着重要的作 用。 传统的设计方法设计时间长、 精度低， 不能满足现代机械快速高精度的要求。 本文针对支架传统设计中存在的问题，将虚拟样机技术和支架的设计相结 合， 利用 Pro/E 建立液压支架各零部件的 3D 模型，完成了液压支架的虚拟装配， 在仿真运动的过程中对其进行干涉检查分析；将 3D 模型导入到 ADAMS 中，建 立支架的多体动力学模型；利用 ANSYS 软件，对支架顶梁偏载、顶梁扭转和底 座扭转三种危险工况进行了虚拟加载试验， 得出支架的各部件应力云图和位移云 图，找出支架的受力变形规律和危险部位，进行优化；在有限元模型的基础上建 立结构动力学模型，对支架的整机进行了模态分析，提取支架的固有频率，以免 和周围环境产生共振，破坏支架的结构。 本文采用虚拟样机技术，在 Pro/E 平台上建立液压支架的三维模型，利用 ANSYS 软件对液压支架的几种危险工况进行了强度加载试验和模态分析，优化 设计结构，缩短了设计周期，并且提高了设计质量。 关键词液压支架；Pro/E；加载试验；模态分析 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 II 万方数据 ABSTRACT III PERANCE ANALYSIS OF HYDRAULIC SUPPORT STRUCTURAL BASED ON ANSYS ABSTRACT As the main coal mining face supporting equipment, powered support is an important guarantee for safety production, high yield and high efficiency of coal mine. Traditional design pattern leads to low speed of product update and lack of innovative technology. Firstly, based on the powered support shortage in current design, the VP technology utilized to design powered support. Pro/E was used to establish the 3D model of powered support， the virtual assembly， interference detection and kinematics simulation has been done. Secondly, import 3D model into ADAMS and built the multi-body dynamics model. Last but not least, ANSYS, as finite element analysis software, can simulate and analyze the most dangerous intensity place at different force conditions. It provides useful reference for structure design and optimization of the powered support according to the displacement and stress distribution character of main parts. Based on the finite element model, a structural dynamics model was established. The natural frequency of powered support was extracted in order to avoid the resonance of surrounding environment and the damage of support. In this paper, using virtual prototype technology, on the Pro/E plat set up 3 d model of the hydraulic support, using ANSYS software to some dangerous working condition of hydraulic support load strength test and modal analysis, optimization design, shorten the design cycle, and improve the design quality. KEY WORDSHydraulic support;Pro/E;Loading test;Modal analysis 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 IV 万方数据 目录 I 目 录 摘 要.............................................................................................................................. I ABSTRACT ................................................................................................................. III 1 绪论............................................................................................................................ 1 1.1 选题背景.......................................................................................................... 1 1.2 研究的目的及意义.......................................................................................... 1 1.3 虚拟样机技术.................................................................................................. 2 1.3.1 虚拟样机技术....................................................................................... 2 1.3.2 虚拟样机技术在液压支架设计中的应用........................................... 2 1.4 液压支架研究现状.......................................................................................... 2 1.4.1 液压支架国外研究状况....................................................................... 2 1.4.2 液压支架国内研究状况....................................................................... 3 1.4.3 国内液压支架与国外差距及发展趋势............................................... 4 1.5 本文研究主要内容.......................................................................................... 4 2 液压支架结构分析及力学计算................................................................................ 7 2.1 液压支架基础.................................................................................................. 7 2.1.1 液压支架的组成及功用....................................................................... 7 2.1.2 液压支架的分类................................................................................... 8 2.1.3 液压支架的支护方式......................................................................... 10 2.1.4 液压支架操作步骤............................................................................. 10 2.2 液压支架的工作原理.................................................................................... 11 2.2.1 液压支架的工作原理......................................................................... 11 2.2.2 液压支架承载特性曲线.................................................................... 12 2.3 液压支架结构件主要特点............................................................................ 13 2.3.1 液压支架主要技术参数..................................................................... 13 2.3.2 对液压支架主要结构的设计要求..................................................... 14 2.4 液压支架力学计算........................................................................................ 15 2.4.1 顶梁外载荷特征分析......................................................................... 15 2.4.2 底座外载荷特征分析......................................................................... 17 2.4.3 液压支架平面力学模型..................................................................... 17 2.4.4 液压支架空间受力计算..................................................................... 19 2.5 本章小结....................................................................................................... 24 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 II 3 三维参数化建模...................................................................................................... 25 3.1 液压支架三维建模........................................................................................ 25 3.1.1 液压支架实体建模软件的选用......................................................... 25 3.1.2 支架部件的实体建模......................................................................... 25 3.1.3 液压支架的整机装配......................................................................... 25 3.2 液压支架的运动学仿真................................................................................ 27 3.2.1 运动学模型......................................................................................... 28 3.2.2 运动仿真............................................................................................. 29 3.2.3 干涉检查............................................................................................. 31 3.2.4 运动分析............................................................................................. 31 3.3 基于 ADAMS 的四连杆参数分析 .............................................................. 32 3.3.1 ADAMS 运动学模型建立 ................................................................. 32 3.3.2 四连杆参数测量................................................................................ 35 3.4 本章小结........................................................................................................ 36 4 液压支架强度试验模拟.......................................................................................... 37 4.1 有限元软件选取............................................................................................ 37 4.2ANSYS 有限元软件 ...................................................................................... 38 4.2.1 有限单元法......................................................................................... 38 4.2.2ANSYS 简介 ....................................................................................... 38 4.3 加载试验分析................................................................................................ 39 4.3.1 支架模型的合理简化......................................................................... 40 4.3.2 模型的导入......................................................................................... 40 4.3.3 材料及属性定义................................................................................. 40 4.3.4 载荷和边界条件................................................................................. 41 4.3.5 销轴连接处理..................................................................................... 42 4.3.6 网格划分............................................................................................. 43 4.4 模拟计算........................................................................................................ 43 4.4.1 顶梁偏载............................................................................................. 44 4.4.2 顶梁扭转............................................................................................. 47 4.4.3 底座扭转............................................................................................. 49 4.5 计算结果分析................................................................................................ 51 4.6 本章小结........................................................................................................ 51 5 液压支架结构模态分析.......................................................................................... 53 5.1 模态分析概述................................................................................................ 53 5.2 模态分析........................................................................................................ 54 万方数据 目录 III 5.3 液压支架模态分析........................................................................................ 54 5.4 本章小结........................................................................................................ 59 6 结论与展望.............................................................................................................. 61 6.1 结论................................................................................................................ 61 6.2 展望................................................................................................................ 61 攻读学位期间参加的科研项目及发表的学术论文.................................................. 63 致 谢............................................................................................................................ 65 参考文献...................................................................................................................... 67 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 IV 万方数据 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景 地下煤主要是利用由液压支架配套的综采设备开采的，液压支架、运输和采 煤共同构成煤炭综采设备。 综采设备的研究开发在很大程度上促进了采煤技术工 艺水平的提高和发展。由于综采设备的价格比较高，进行现代化采煤前期的投资 非常大，尤其是液压支架，它的设备费用大约要占初期成本的 60以上，且液压 支架是起着关键作用的重要支护设备，与采煤人员的安全息息相关。因此，液压 支架在整个综采过程中起着至关重要的作用， 对液压支架进行研究是非常必要的 [1]。 目前我国国内的液压支架设计主要分三步第一步，根据液压支架的工作环 境确定工作阻力；第二步，由工作阻力计算液压支架的主要结构尺寸，结合经验 设计确定其他部件的结构尺寸；第三步，对液压支架进行整机装配，并对其进行 以强度为主的各项试验。由于该实验所消耗的资源和时间非常大，而得出的实验 数据却有限，所以液压支架的整机强度试验明显不足。 随着虚拟样机技术的发展，二维 CAD 正在向三维 CAD 技术转变，通过三 维建模软件可完成对实体零件模型的构建，实现零行装配、模拟仿真、装配干涉 检查，这些都是传统的设计所没有的优势，并且在三维模型建模完成后，借助于 有限元分析软件对其进行强度分析，可以更全面、更精确地提供液压支架的技术 参数，极大地提高了设计效率和设计质量。 1.2 研究的目的及意义 随着经济技术的快速发展，企业要在日益激烈的竞争环境中保持优势，就要 在最短的时间内完成满足客户需要的新产品，并且不断进行创新设计，以满足不 断变化的市场的需求。 在三维基础上进行 CAE 分析[2]，利用现代计算机强大的数值计算能力，进 行虚拟样机技术仿真研究， 避免了传统设计中制造物理样机进行试验产生的能源 损失和资源浪费。通过对支架实体模型进行静、动态干涉检查，对仿真结果分析 后可以发现设计中存在的问题，从而为模型的修改和优化提供了基础[3]。同时， 基于虚拟样机技术产生的三维模型， 可以让客户更直观清晰的看到所设计的产品 是否符合客户的需要， 避免了不必要的资源浪费， 对于产品的推广具有重要意义。 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 2 1.3 虚拟样机技术 1.3.1 虚拟样机技术 虚拟样机技术是借助计算机软件来实现对物理样机模拟设计分析的一种技 术。由于涉及的技术领域比较广泛，对虚拟样机一直没有一个统一的概念[4-9]。 说法有好几种，但是总的来说国内外学术界对虚拟样机技术的定义其实大同小 异，主要区别在于技术的构成及其范畴上，这里可将其总结为虚拟样机技术是 在三维建模软件的基础上，依据有关设计理念，建立与物理样机性能相一致的三 维仿真模型，对该模型进行模拟、仿真、测试，对模拟的结果进行分析，发现设 计中存在的问题，进而对模型进行修改和优化，得到与设计思路基本一致的数字 化模型。 1.3.2 虚拟样机技术在液压支架设计中的应用 目前，国内虚拟样机技术在液压支架的设计过程中已经得到了逐步的推广。 宁国峰、王国法等人通过 Solidworks 对液压支架三维建模进行了初步研究[10-12]。 宋德军在 ZZ9900/29.5/50 型液压支架的设计过程中，在 I-DEAS 中建立三维模型 并在其可视化界面中对模型进行修改[13]。 宁国峰等人通过 UG、 Solidworks、 Pro/E 软件对液压支架进行三维建模，并与传统的设计进行了对比[14]。王国法是天地 科技股份有限公司开采事业部的研究员，致力于研发液压支架新架型，对液压支 架技术体系的研究工作进行了深入探讨， 开发了可以不受煤层条件限制的液压支 架，通用性更强[15]。在大采高液压支架的研制过程中，设计方法逐步向虚拟样 机技术和有限单元法相结合过渡[16]。郑煤机集团和高校联合开发的整套液压支 架设计平台，已经投入使用，并且在测试后效果比较满意。天地科技继而开发出 的支架模拟仿真系统和支架参数化优化设计软件系统[17]具有很高的国际水平， 实现了液压支架计算机辅助工程设计， 率先摆脱了支架的传统二维 Auto-CAD 设 计，使支架设计实现了又一次跨越[18]。 1.4 液压支架研究现状 1.4.1 液压支架国外研究状况 从液压支架研制成功到现在，大约经历了 60 年的发展历程。英国在 1954 年第一次发明了垛式支架，法国继而制造出了节式液压支架，节式液压支架完全 替换掉了金属支架和木支架， 使对采煤工作面起安全支护作用的设备液压支架的 发展有了质的飞越，成为了支架发展史上的里程碑[19-22]。 液压支架前梁端距变化太大一直是影响液压支架发展的一个因素， 而前苏联 在 60 年代首次将四连杆机构运用到液压支架中[23]， 成功地解决了这个问题。 1964 万方数据 绪论 3 年，英国率先实施了液压支架试验规范。1965 年，F.Dobson 等人研制出支架的 刚性底座，对支架的进一步发展奠定了基础。在上个世纪 70 年代， “立即支护” 是液压支架的主要支护方式。20 世纪 70 年代中期，英国煤炭局为了提高生产效 率，首次提出了电液控制液压支架的研制。澳大利亚[24]的科里曼尔煤矿最先将 电液控制支架应用于长臂采煤工作面，于 1981 年投产。对采煤工作面起集中控 制作用的电液控制系统在 1995 年底最先被英国原道锑公司成功制造出来并投产 使用。 之后， 更加先进的P-M3和P-M4电液控制系统被贝考瑞特公司研制出[25-26]。 上世纪 80 年代末以来，世界主要产煤国家如美国、德国、澳大利亚、南非 和英国的采煤技术发展速度非常快，逐步向现代化高产高效方向发展[27]，他们 一直致力于液压支架相关技术的研究，其中德国的研究最为突出。德国 DBT 公 司率先在支架的设计过程中完成了运动学和静力学分析， 对四连杆机构的设计采 用参数化最优设计，推出了可以适用一定使用高度的成熟架型。德国的矿业研究 公司（DMT以及国家材料试验局MPA等单位，对支架与围岩作用机理和受力 状况等进行了大量的计算机试验仿真研究， 对液压支架的设计具有重要的指导意 义。 在科技日益发达的二十一世纪， 伴随着计算机辅助工程设计、 虚拟样机技术、 FEA 技术以及 CAX 等各项技术的日益成熟，液压支架的设计技术水平得到了快 速的发展[28-29]。 1.4.2 液压支架国内研究状况 1964 年，郑州煤机厂和太原分院研究 70 型迈步式自移动支架，使对液压支 架进行国产化研究走向了正式的道路。 之后又继续研制出了垛式支架、 节式支架、 掩护式支架。1970 年，TZ-140 型垛式液压支架率先在山西大同煤矿进行全工作 面装备并投产使用。20 世纪 70 年代末 80 年代初，三批大规模的液压支架从国 外进入到国内， 这三批支架的质量都比较不错，尤其是第三批引进的液压支架的 性能和参数比之前都有明显优势。在将国外液压支架先进技术进行研究分析后， 我国工作人员相继研究出了多种类型的液压支架，这些支架用途广泛，能够适用 多种场所。 其中 QY 系列和 YZ 系列的支架比较具有代表。 1984 年， 北京开采所、 郑州煤机厂和沈阳开采所联合，在沈阳蒲河矿对我国第一套放顶煤支架进行试 验，此后又制造出了高、中、低位多种采高的放顶煤支架，使急倾斜厚煤层和缓 倾斜中厚煤层的使用需求得到满足。 我国对液压支架进行研究开始步入高速发展 是在上世纪 90 年代开始的，液压支架的使用性能、参数、可靠性都有明显的提 高， 尤其是我国自主研发的放顶煤支架的投产使用，根据四连杆机构的工作原理 支架的架型分为正四连杆和反四连杆支架，按放煤位置分为高、中、低位。现阶 段， 随着对高端液压支架的需求不断地增加， 国内液压支架进入高速发展的阶段， 郑煤机集团近几年研制出了 5.5m、6m 的高端液压支架，平顶山煤机厂、中煤北 京煤机厂和郑煤机集团也开始深入探讨研究支架的电液控制技术 [30-32]。 万方数据 华北水利水电大学硕士学位论文 4 1.4.3 国内液压支架与国外差距及发展趋势 液压支架在我国的研发已经走过 50 多年的发展历程， 尽管取得了显著成就， 但是总体水平与世界先进采煤国家仍有一定的差距。主要表现在以下几个方面 （1）安全可靠性薄弱，我国目前生产制造的液压支架的绝大部分与国外相比其 安全可靠性都比较低，容易发生损坏，支架的开机率、产煤量都比较低。 （2）操 作方式落后，电液控制系统已经在世界上其他比较发达的国家得到广泛应用，而 我国绝大多数还停留在手动控制上，这样导致支架的移架速度比较低，而且人工 劳动强度大、效率低下。 （3）选用材料保守，尤其是液压元件，其研发速度远远 低于液压支架的高速发展需求， 国产控制阀与进口相比， 寿命和可靠性都比较低。 （4）制造工艺与国外相比也比较落后。 鉴于科学技术的快速发展，新技术、新方法、新工艺和新材料的不断应用以 及计算机技术的空前扩展，我国液压支架将朝着以下几个方面的发展 （1）支架 的结构要更加简单，架型应越来越实用，比如说两柱掩护式支架和四柱支撑掩护 式支架。 （2）将有限元分析和计算机辅助设计相结合，进一步提高支架的可靠性 和结构的优化。 （3）改进制造工艺，保证支架质量。对支架的控制阀等制定更严 格的质量和抗腐蚀标准。 （4）研制一些特殊种类的支架来适应不同的工作条件。 （5）对支架的选材采用新型材质，延长支架的使用寿命。 （6）研制支架电液控 制系统[33]。 1.5 本文研究主要内容 本课题以 ZZ8000 型液压支架为研究对象，在 ANSYS 平台上完成液压支架 在不同工况下的加载实验分析以及模态分析。 本课题的研究内容分为以下几个部 分 （1）根据选定的支架类型，对其进行力学分析。 （2）通过 Pro/E 软件建