ZC20000_34_68超静定液压支架设计研究.pdf

硕士学位论文 ZC20000/34/68超静定液压支架设计研究 Design and Research of ZC20000/34/68 Hyper- Static Hydraulic Support 作 者魏耿赞 导 师李炳文 教授 中国矿业大学 二○一六年五月 万方数据 中图分类号 TD355 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 ZC20000/34/68超静定液压支架设计研究 Design and Research of ZC20000/34/68 Hyper- Static Hydraulic Support 作 者 魏耿赞 导 师 李炳文 申请学位 工学硕士 培养单位 机电工程学院 学科专业 机械设计及理论 研究方向 矿山机械 答辩委员会主席 赵继云 评 阅 人 二○一六年五月 万方数据 学位论文使用授权声明 学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写 的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论 文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版， 可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的， 学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在 校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存 研究生学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书 论文审阅认定书 研究生 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要 求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论 文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写 格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢 致谢 三年的研究生时光白驹过隙，转眼之间就要步入社会，踏入工作之旅。在这 三年乃至在矿大的七年时光里，经历过欢笑、泪水、疾病与幸福，有太多要感谢的 人，有太多要铭记的事情。 感谢我的导师，李炳文老师。李老师在我大二时给全院学生作学科专题讲座， 那是我第一次见老师，李老师幽默健谈的讲课风格吸引着我。又先后跟随导师进行 生产实习、毕业实习、本科毕业设计、研究生阶段。随着与导师接触的深入，我觉 得老师对待科研，从来都是不怕困难、勇往直前，这种精神也同样体现在老师对于 生活的态度，更影响着我对于未来生活的态度，这是除了老师传授于我的专业知识 之外，更重要的一种宝贵财富。感谢老师在三年里，对我学习与生活上的照顾，尤 其是我经历伤病的那段时间，谢谢老师对我宽容与体谅，这种感觉就像长辈对自己 孩子一般的照顾。过去的三年，也同样是老师非常重要的几年，希望老师能够一如 既往的坚持下去，保重身体。 感谢我的父母。他们都是中国社会里最普通的农民，却依靠自己的双手与汗水 默默支撑我与兄长的学业，对于我的决定，他们总是能给予充分的理解与支持。对 于年迈的父母，我心怀感恩之心，日后必定尽自己最大的努力给予他们最好的晚年 生活。 感谢在论文选题、实验与答辩的各个环节给予帮助和指导的赵继云老师、黄嘉 兴老师、杨寅威老师、王启广老师、苗运江老师等。他们的言传身教，让我对以后 的科研与工作有了更深刻的了解。 感谢论文写作过程中所引用与阅读文献的作者，他们的学术思想奠定了论文的 基础，谢谢他们的无私。 感谢课题组王建武老师、洪建云师兄、刘俊师兄以及吴晓茹、蒋欢、张席、胡 浩东，谢谢他们在学习与生活上的陪伴，也希望他们以后拥有幸福的生活。 感谢三年中陪我渡过漫长时光的室友，李亚飞、张斌、孙国帅，在一起生活了 三年，谢谢他们对我生活习惯的忍让与包容，和他们住在一起，有过太多有趣的时 刻。感谢我的小伙伴们，张敏、范祯科、谢伟等，纵然相识较短，可志趣相投。与 他们的交往，让我们在繁忙的科研任务之余，有了更多快乐的时光。三年的时间， 我们共同见证了彼此的成长。 感谢高原同学，她是我大学乃至研究生三年一直追赶的目标，在我眼中，她是 一个美丽、乐观、善良、可爱的女生，谢谢她让我对以后的生活有许多美好的期许 与愿景，我真诚地希望她幸福快乐，更希望这幸福是我所带给她的。 感恩 万方数据 I 摘 要 摘 要 液压支架是不可或缺的综采工作面设备，其主要作用有支撑顶板、保护矿工和 采煤机、刮板输送机等设备安全。大采高液压支架是随着大采高综采技术出现而发 展起来，历经多年发展，产品虽然比较成熟，但仍存在着抗冲击地压能力差、稳定 性差、护帮能力弱等问题。针对此类情况，中国矿业大学矿山机械研究所设计研发 了大采高超静定液压支架，该支架改变传统支架中四连杆结构架型，采用超静定结 构，八根立柱呈 X型密集支护，稳定性好，生产周期短，安全系数高。 本文根据大采高液压支架工作环境，推导出其主要的设计要求和结构特点，对 液压支架进行了总体结构设计与部件设计，完成对液压支架结构参数的选择，利用 Pro/E 自底向上的建模方法，完成对液压支架顶梁、底座等部件的三维建模，并在虚 拟的环境中进行装配，完成液压支架设计。 按照煤矿用液压支架第 1 部分通用技术条件，在 ANSYS Workbench中， 采用内加载方式，对液压支架在多种组合工况下进行有限元强度校核，通过仿真分 析得到液压支架顶梁、底座等部件的应力与变形分布规律，基于应力分布云图，对 液压支架提出相应的改进设计方案。销轴是顶梁、底座、掩护梁等部件之间连接的 关键部件，对其进行有限元强度校核，验证连接的可靠性。 在有限元分析的基础之上，将支架承受的静载荷改为动载荷，对液压支架进行 疲劳寿命分析，分析顶梁、底座、掩护梁和连杆中的危险部位，基于分析结果改进 设计危险部位，确保液压支架能够满足耐久性试验要求，为液压支架正常工作提供 可靠保障。 分析研究液压支架在静态下横向与纵向受力情况，进行稳定性分析，得到支架 在工作面倾倒和滑移的临界条件，对摩擦系数、工作面倾角等因素对液压支架稳定 性的影响情况进行具体分析，确定支架在两个方向稳定性与上述因素的对应关系。 利用 MATLAB 中优化工具箱对支架重量进行优化设计。设计变量为顶梁板材 的尺寸，设计目标为液压支架顶梁重量最小，限制约束条件为液压支架的结构强度、 板材厚度合理的尺寸范围等。经过最优设计，最终确定液压支架顶梁重量最小时各 板材厚度，降低液压支架生产成本。 论文共有图 48 幅，表 13个，参考文献 82篇。 关键词关键词大采高超静定液压支架；有限元分析；疲劳寿命分析；稳定性分析；优化 设计 万方数据 III Abstract Hydraulic support is the key equipment in fully mechanized coal face. Its main function is supporting roof, protecting workers and fully mechanized equipment. Large mining hydraulic support develops with the emersion of large mining fully mechanized technology. Although after years of development, large mining hydraulic support has become comparatively mature, it still has some problems, such as poor capacity of resistance rock burst, low stability, poor capacity of wall protection. In order to effectively deal those problems, large mining hyper-static hydraulic support is designed by mining machinery research institute of CUMT. Hyper-static structure is applied to this kind of hydraulic support instead of four-bar linkage which is also applied in traditional hydraulic support. It has eight roots column with a distribution of “X” to realize full timbering. Hyper-static hydraulic support features in higher stability, shorter production cycle and higher safety factor. Based on structure characteristics, design requirements and working environment of large mining hydraulic support, an overall structure design and parameter determination of hyper-static hydraulic support is conducted in this paper. Using bottom-up modeling approach in Pro/E, a 3D model of hyper-static hydraulic support is established and virtually assembled. According to “Powered support for coal mine-Part 1 General specification” and adopting internal loading , intensity checking of hyper-static hydraulic support is conducted in AWB. After analyzing the result of simulation and getting stress and deation contour figure, those areas which lack intensity is conducted improved design. Strength of connecting pin is calculated and checked, which is to verify the reliability of connection between column , top beam and base. Under carrying load condition, fatigue life analysis of hyper-static hydraulic support is conducted. By analyzing fatigue life of top beam, base, shield beam and connecting rod, and improving the design those parts or structure which have minor fatigue life, it can finally meets the requirement of durability test and provides a reliable guarantee for hydraulic support regular work. Under static state, the lateral and longitudinal force condition of hyper-static hydraulic support are analyzed and then stability analysis is conducted, which is to get dumping and slip critical conditions of hydraulic support in coal face. By discussing the influence of friction factor and coal face angle on support stability, this paper offers the relationship between these factors and support stability in the lateral and longitudinal. 万方数据 IV Taking advantage of MATLAB optimization toolbox, and taking plate size of top beam as design variable, the weight of hydraulic support as design objective, the structure strength of support and plate size range as limiting conditions, top beam of hyper-static hydraulic support is conducted optimal design. Then the plate size is obtained when top beam possess minimum weight and thus reduces the cost of hyper-static hydraulic support. 48 figures, 13 tables and 82 references are included in this thesis. Keywords large mining hyper-static hydraulic support; finite element analysis; fatigue life analysis; stability analysis; optimization design 万方数据 V 目 录目 录 摘要摘要 ........................................................................................................................................ I 目录目录 ....................................................................................................................................... V 图清单图清单 ................................................................................................................................. IX 表清单表清单 .............................................................................................................................. XIII 变量注释表变量注释表 ........................................................................................................................ XV 1 绪论绪论 ..................................................................................................................................... 1 1.1 课题背景 ........................................................................................................................... 1 1.2 课题意义 ........................................................................................................................... 3 1.3 课题主要研究内容及方法 ................................................................................................ 5 1.4 本章小结 ........................................................................................................................... 6 2 液压支架结构设计液压支架结构设计 .............................................................................................................. 7 2.1 液压支架结构参数设计.................................................................................................... 7 2.2 液压支架三维设计 ......................................................................................................... 12 2.3 本章小结 ......................................................................................................................... 14 3 液压支架静力学分析液压支架静力学分析 ........................................................................................................ 15 3.1 有限元理论 ..................................................................................................................... 15 3.2 液压支架有限元分析 ..................................................................................................... 17 3.3 本章小结 ......................................................................................................................... 29 4 液压支架疲劳分析液压支架疲劳分析 ............................................................................................................ 30 4.1 疲劳分析理论 ................................................................................................................. 30 4.2 基于 AWB液压支架结构件疲劳寿命分析.................................................................... 33 4.3 本章小结 ......................................................................................................................... 39 5 液压支架稳定性分析液压支架稳定性分析 ........................................................................................................ 40 5.1 液压支架模型简化 ......................................................................................................... 40 5.2 液压支架横向稳定性分析 .............................................................................................. 41 5.3 液压支架纵向稳定性分析 .............................................................................................. 44 5.4 液压支架稳定性影响因素 .............................................................................................. 47 5.4 本章小结 ......................................................................................................................... 49 6 关键部件重量优化关键部件重量优化 ............................................................................................................ 50 6.1 优化软件及流程 ............................................................................................................. 50 6.2 优化数学模型建立 ......................................................................................................... 51 万方数据 VI 6.3 优化程序设计及结果 ..................................................................................................... 54 6.4 本章小结 ......................................................................................................................... 60 7 结论与展望结论与展望 ....................................................................................................................... 61 7.1 结论 ................................................................................................................................ 61 7.2 展望 ................................................................................................................................ 62 参考文献参考文献 .............................................................................................................................. 63 附录附录 ...................................................................................................................................... 67 作者简介作者简介 .............................................................................................................................. 69 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ........................................................................................................... 71 学位论文数据集学位论文数据集................................................................................................................... 73 万方数据 VII Contents Abstract .............................................................................................................................. III Contents ............................................................................................................................. VII List of Figures ..................................................................................................................... IX List of Tables ................................................................................................................... XIII List of Variables ................................................................................................................ XV 1 Introduction ........................................................................................................................ 1 1.1 Background of Thesis ........................................................................................................ 1 1.2 Significance of Thesis ....................................................................................................... 3 1.3 The Main Research Contents and s of Thesis ......................................................... 5 1.4 Summary ........................................................................................................................... 6 2 Structure Design of Hydraulic Support............................................................................. 7 2.1 Structure Parameter Design of Hydraulic Support .............................................................. 7 2.2 3D Design of Hydraulic Support...................................................................................... 12 2.3 Summary ......................................................................................................................... 14 3 Static Analysis of Hydraulic support ............................................................................... 15 3.1 Finite Element Theory .................................................................................................... 15 3.2 Finite Element Analysis of Hydraulic Support ................................................................. 17 3.3 Summary ......................................................................................................................... 29 4 Fatigue Analysis of Hydraulic Support ........................................................................... 30 4.1 Fatigue Analysis Theory .................................................................................................. 30 4.2 Fatigue Analysis of Hydraulic Support Structural Component Based on AWB ................ 33 4.3 Summary ......................................................................................................................... 39 5 Stability Analysis of Hydraulic Support .......................................................................... 40 5.1 Simpli