ZY4000型液压支架设计及有限元分析.pdf

万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 万方数据 目录 i 目目录录 1 绪论绪论............................................................................................................................................1 1.1 选题背景及意义...............................................................................................................................1 1.2 液压支架国内外现状及发展趋势................................................................................................2 1.2.1 国外液压支架的现状及发展...............................................................................................2 1.2.2 国内液压支架的现状及发展...............................................................................................3 1.3 液压支架设计方法及流程.............................................................................................................3 1.3.1 液压支架设计方法分析........................................................................................................3 1.3.2 液压支架设计流程.................................................................................................................4 1.4 课题研究的主要内容及技术路线................................................................................................5 1.4.1 研究主要内容..........................................................................................................................5 1.4.2 技术路线...................................................................................................................................5 2 液压支架工作原理及载荷分析液压支架工作原理及载荷分析...............................................................................................7 2.1 液压支架概念及工作原理.............................................................................................................7 2.1.1 液压支架概念.........................................................................................................................7 2.1.2 液压支架工作原理.................................................................................................................7 2.1.3 液压支架立柱工作过程........................................................................................................8 2.2 液压支架的组成及分类..................................................................................................................8 2.2.1 液压支架的组成.....................................................................................................................8 2.2.2 液压支架的分类.....................................................................................................................9 2.3 液压支架的基本参数....................................................................................................................10 2.4 液压支架受力分析........................................................................................................................11 2.4.1 液压支架外载荷分析..........................................................................................................11 2.4.2 液压支架受力分析...............................................................................................................12 2.5 本章小结..........................................................................................................................................14 3 液压支架设计与三维模型建立液压支架设计与三维模型建立.............................................................................................15 3.1 液压支架的选型原则....................................................................................................................15 3.1.1 设计条件................................................................................................................................15 3.1.2 液压支架架型选型原则......................................................................................................15 3.2 液压支架四连杆机构设计...........................................................................................................17 3.2.1 四连杆机构的作用...............................................................................................................17 3.2.2 四连杆机构的设计要求......................................................................................................17 3.2.3 四连杆机构的设计过程......................................................................................................18 3.3 液压支架参数的确定....................................................................................................................19 3.4 液压支架主要部件结构设计.......................................................................................................22 3.4.1 顶梁.........................................................................................................................................22 万方数据 西安理工大学工程硕士专业学位论文 ii 3.4.2 侧护板.................................................................................................................................... 23 3.4.3 掩护梁.................................................................................................................................... 23 3.4.4 底座.........................................................................................................................................24 3.4.5 立柱.........................................................................................................................................25 3.5 液压支架三维建模.......................................................................................................................26 3.5.1 三维建模软件的选择.........................................................................................................26 3.5.2 支架三维模型的简化.........................................................................................................26 3.5.3 支架三维模型的建立..........................................................................................................27 3.5.4 支架三维模型的装配与干涉检查.................................................................................... 28 3.6 本章小结..........................................................................................................................................29 4 液压支架有限元应力与变形位移分析液压支架有限元应力与变形位移分析..................................................................................31 4.1 计算机辅助工程分析（CAE）概述..........................................................................................31 4.2 有限元法概述.................................................................................................................................31 4.2.1 有限元法概念.......................................................................................................................31 4.2.2 有限元分析过程...................................................................................................................32 4.3 有限元软件的选择........................................................................................................................ 32 4.4 制定分析方案.................................................................................................................................32 4.4.1 液压支架受载工况确定......................................................................................................32 4.4.2 有限元模型的建立...............................................................................................................35 4.5 液压支架在四种不同工况下进行有限元分析........................................................................ 37 4.5.1 顶梁偏心加载、底座两端加载.........................................................................................37 4.5.2 顶梁、底座两端集中加载................................................................................................. 40 4.5.3 顶梁、底座承受扭转载荷................................................................................................. 42 4.5.4 顶梁偏心加载、底座承受扭转载荷................................................................................44 4.5.5 四种工况结果分析...............................................................................................................47 4.6 液压支架结构改进........................................................................................................................ 48 4.6.1 顶梁偏心加载、底座承受扭转载荷................................................................................49 4.6.2 顶梁、底座承受扭转载荷................................................................................................. 50 4.6.3 结构改进后结果分析..........................................................................................................52 4.7 本章小结..........................................................................................................................................52 5 结论与展望结论与展望..............................................................................................................................53 5.1 结论...................................................................................................................................................53 5.2 展望...................................................................................................................................................53 致谢致谢.............................................................................................................................................55 参考文献参考文献.....................................................................................................................................57 研究生期间发表论文研究生期间发表论文.................................................................................................................59 万方数据 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 选题背景及意义选题背景及意义 我国自然资源的特点是贫油、少气，但煤碳储量丰富。目前探明的煤炭资源总量为 5.9 万亿吨，占世界储量的 11.6，其中已探获资源量为 2 万亿吨，广泛分布在全国 30 个 省、自治区。从地区分布看，储量主要集中分布在山西、陕西、内蒙古、河南、安徽、云 南、贵州，它们的储量占全国储量的 81.8，呈现“西多东少”、“北多南少”的特点。 基于我国自然资源的特点，我国既是产煤大国，又是煤炭消费大国。据统计煤炭产 量现排名世界之首，2014 年我国煤炭产量为 38.74 亿吨，占世界总产量的 47.45；煤炭 消费在我国一次能源消费结构中约占 75。这表明煤炭是国家主要支柱能源，是国家经 济发展的基础。“十二五规划”中提出“煤炭科学产能”理念，判断其指标主要有两个 一个指标是综合机械化程度必须大于 70；另一个指标是安全度标准，也就是百万吨死 亡率为 0.01～0.1 人。该指标对煤炭工业的发展指明了前进方向，应重点关注高产、高效、 安全等方面问题。 在上叙背景及要求下， 全面推广煤矿综采技术将是煤矿未来发展的趋势。 矿井井下支 护问题一直是煤矿安全生产的软肋，其中，液压支架是常见支护设备之一，而煤矿井下地 质条件复杂、 工作面长度加大以及煤壁片帮加剧， 这些因素都导致液压支架工作受载明显 增加、工况环境越发恶劣，甚至液压支架的零部件因为扭转、偏载而损坏。见图 1-1、1-2 和 1-3。 图 1-1 液压支架井下工作图 1-2 液压支架架体焊补 Fig.1-1 The hydraulic support work in the mineFig.1-2 The Welding of the frame of hydraulic support 例如开滦集团使用的 QY320-13/32 型液压支架使用一周后发现平衡顶的后支撑座大 面积开焊断裂，有 42 组支架受到不同程度的损坏，导致了整个工作面被迫停产；皖北煤 炭集团的 ZY7600/24/50 型掩护式液压支架由于强度设计不够、材料配置不当等原因在使 用过程中出现结构件开焊与断裂的损坏情况[1][2]。除此之外，液压支架在综采工作面使用 数量也非常巨大， 所以液压支架的质量对于自身的支护性能、 结构强度等以及煤矿安全生 产都有重大影响。 本文选择液压支架作为研究对象， 将液压支架的设计与液压支架数值模拟计算有效结 万方数据 西安理工大学工程硕士专业学位论文 2 合起来， 将计算结果分析反馈出支架设计中存在的问题， 有利于改进液压支架的结构缺陷， 同时也对支架设备生产企业有重大帮助。 图 1-3 液压支架立柱维修 Fig.1-3 The hydraulic support column maintenance 1.2 液压支架国内外现状及发展趋势液压支架国内外现状及发展趋势 1.2.1 国外液压支架的现状及发展国外液压支架的现状及发展 国外的液压支架产业起步较早，在上世纪五十年代，英国研发了垛式支架，法国相继 研发出节式液压支架， 改变了早期工作面以人工木支架和金属支架的支护状况， 是支护设 备在本质上革命性的飞跃。 上世纪六十年代，前苏联研发出 OMKT 型掩护式液压支架，具有四连杆机构，解决 了梁端摆幅的问题，促进了液压支架架型技术的发展。 到了七十年代，液压支架架型主要以“即时支护”方式为主。 到了八十年代，随着综采机械化技术的快速发展，世界上开始流行采用大功率、安全 性及可靠性高的综采机械化设备， 使得综采工作面记录不断被刷新， 综采装备技术屡见不 鲜，代表为德国、美国、英国等。当时代表的架型为两柱式液压支架，具有设计分析方便、 操作容易、移动迅速等特点。 到了九十年代， 国外综采液压支架的架型代表为高工作阻力的两柱掩护式支架， 其结 构由整体顶梁、刚性连接底座、推移千斤顶为框架式结构、电液控制系统等组成，能完成 自动调整控制支架的支护工作。 德国最先完成高工作阻力的两柱掩护式支架研发工作，该产品受力均匀、结构紧凑、 而且实用及适用性强。 美国紧追其后， 同样设计出两柱掩护式液压支架， 其移架速度为 6～ 8 秒，动力源采用乳化液泵站，额定压力可达 50MPa，额定流量是 478L/mm，寿命最长 为 8～10 年，支架平均支护阻力是 6470kN，支架中心距为 1.75～2 米。与此同时，英国 设计的两柱掩护式支架，其支护阻力可达 6000～8000kN[3]。 目前，高工作阻力的两柱掩护式支架应用广泛，其承受的支护工作阻力极大值达 12000kN，最大支撑高度达 6.0 米，立柱中心距宽达 2.0 米，立柱缸的最大径达 480mm。 支架的原材料为具有良好的焊接性能的高强度钢板，钢板的屈服极限为 800～1000 MPa， 万方数据 1 绪论 3 疲劳极限达 50000 次以上 57[4]。此外，液压支架控制方式采用电液控制控制，可以实现综 采工作面无人员操作。 1.2.2 国内液压支架的现状及发展国内液压支架的现状及发展 与国外相比，我国采矿业起步晚，煤矿地质条件复杂，常见煤层类型有倾斜煤层、薄 煤层、特厚煤层等，以上原因造成我国液压支架起步晚，发展滞后。我国液压支架发展通 过引进、消化、吸收国外支架的经验，于 1964 年自主研发 70 型迈步式自移液压支架，而 后又研发出垛式、节式等液压支架[5]。虽然这些产品在使用寿命、效率、安全性及稳定性 不如国外产品质量， 但液压支架研制的成果填补了我国液压支架技术的空白， 为以后的发 展积累经验，奠定基础。 上世纪八十年代初，我国分三次大批量引进国外支架数百台，其中以二柱、四柱掩护 式液压支架为主。我国科研工作者在引进、整合外国综采支护技术基础上，自主研发出能 满足不同需求的液压支架，适用于厚煤层、薄煤层及倾斜煤层开采工艺，架型种类丰富， 系列齐全，最具代表性的有 QY、ZF、ZZ 等系列，其工作载荷为 1200～15000kN，采高 为 0.6～6.5 米[6]。 从上世纪 90 年代中期开始，我国液压支架的研究与生产有了飞速的发展，而且综采 工作面的数量增幅较大，同时也提升了液压支架的工作性能、效率及安全可靠性，架型的 种类也越来越多，例如薄煤层支架、大倾角液压支架、大采高支架等。 到现在已经经过了 30 多年，我国液压支架的设计和制造水平与外国水平相差甚小， 架型也趋于成熟，完善。2004 年，由郑煤机生产制造的大高采 360mm 型液压支架，已在 晋城矿区成功应用；2008 年，400mm 立柱直径的两柱掩护式支架，其工作阻力可达到 10000kN。 1.3 液压支架设计方法及流程液压支架设计方法及流程 1.3.1 液压支架设计方法分析液压支架设计方法分析 在传统的液压支架研发中， 需要下面几个步骤 调查分析→概念设计→组成→设计→ 试制→试验→定型→生产。通常情况下，为保证液压支架的安全可靠性，在批量生产前必 须制造样机，而且根据它处在恶劣的工作条件下，参照 MT3122000液压支架通用技 术条件 ，在实验室对液压支架整机的性能、强度和耐久性能等进行严格的测试。整个研 发过程将需要耗费大量的时间、 人力和物力， 而且获取液压支架各部件的力学实验数据很 有限， 且只是样机上有限点的应力状况的实验数据， 所以无法正确评价液压支架整机及其 零部件应力状况。 但随着计算机辅助工程分析（CAE）技术的发展，CAE 软件的应用也越来越广。国 外最早将有限元软件应用于液压支架产品设计方面，例如美国的 JOY 公司从 20 世纪 90 年代起就已经把三维仿真和光弹模拟技术应用在液压支架的设计领域， 利用该技术模拟分 万方数据 西安理工大学工程硕士专业学位论文 4 析液压支架的工况更接近于实际的工况[7]，JOY 公司生产 JOY8670/2.5/5.0 型液压支架与 国内生产的 ZY6000/2.4/5.0 型液压支架都被补连塔煤矿使用， 通过使用发现国内生产的支 架已出现损坏，而 JOY 公司生产的支架却未见损坏；英国伽利克公司同样将有限元软件 应用于支架局部结构分析和优化，提高了液压支架设计质量，缩短新产品开发周期，节约 成本[8]。 国内有限元分析技术发展较晚， 与国外将有限元技术运用到液压支架产品设计中相比， 还是有一定差距。但是我国作为产煤大国，煤炭生产技术发展很快，这对于煤炭设备的发 展起到了关键的作用。 现在我国一些研究人员开始将有限元技术运用到液压支架的设计及 强度分析，如国家煤科总院利用有限元软件 ANSYS 将支架的千斤顶进行偏载仿真分析， 以提高支架设计的可靠性[9]； 中国矿业大学蔡文书运用有限元分析软件将支架的前连杆进 行了模态和静力分析，该分析结果将有助于液压支架结构的改进[10]；山东大学的李立运 用 PRO/E 软件进行建模，再采用 ANSYS 软件对液压支架整架进行有限元强度分析，分 析结果为改善液压支架性能提供了建议[5]。 综上所述， 目前在设计液压支架产品时， 通常是运用有限元技术对液压支架进行结构 静力学分析， 该技术手段将提高液压支架效率、 安全性和稳定性。 但对液压支架结构改进、 优化却很少， 所以本文是将液压支架的设计与其结构的优化相结合， 这就提高了产品设计 质量，同时也避免了静力分析中存在的弊端。 1.3.2 液压支架设计流程液压支架设计流程 液压支架的现代设计流程如图 1-4 所示， 基本可以分为用户需求阶段、 虚拟设计阶段、 样机生产阶段、批量生产阶段四个阶段。对于研发设计而言，用户需求阶段、虚拟设计阶 段是最重要的。 Y N 客 户 订 单 平面力 系主要 参数确 定 通过 Pro/E 等 CAD 技 术建模 通过 ANSYS 等 CAE 技 术 进 行 强 度 分析 批 量 生 产 样 机 整 改 样 机 生 产 工 程 满足 第一阶段第二阶段 第三阶段第四阶段 图 1-4 液压支架的现代设计流程 Fig.1-4 The modern design process of hydraulic support 万方数据 1 绪论 5 在第一阶段，研发人员根据客户需求进行液压支架的设计，该设计参数主要包括支 护工作阻力、支护强度、最大/最小高度、底座前端比压要求等。本阶段为液压支架的关 键，依据其工作状况调整液压支架四杆机构的运动轨迹、摆幅和连杆力的大小，最终确定 顶梁、掩护梁、前后连杆、底座的主要结构尺寸及铰接点的位置坐标，并画出液压支架在 工况下的受力图及力的分析计算。 在第二阶段，通常采用 PRO/E、SOLID EDGE 等设计软件，进行产品的三维建模和 工程图绘制。其设计的模型能清晰的表达设计师的设计理念，而且能实现虚拟安装、运动 分析等。最主要的是可以轻松快捷的修改设计。设计完成后，导入 ANSYS 分析软件，确 定液压支架的外载荷形式与边界条件， 对液压支架整架及其部件进行有限元静力分析， 得 出四种不同工况下液压支架的应力和位移变化规律， 便于分析液压支架危险截面所处位置 及破坏形式。 1.4 课题研究的主要内容课题研究的主要内容及技术路线及技术路线 1.4.1 研究主要内容研究主要内容 本文依托赵家梁煤矿 5-2号煤层的顶板条件，确定了 ZY4000 型掩护式液压支架为研 究对象，具体研究内容如下 （1）液压支架结构设计 根据液压支架的工作条件，选择 ZY4000 型掩护式液压支架。设计内容包含选架型、 支架的总体设计、支架主要零部件的设计及支架受力分析计算。 （2）建立支架三维模型 液压支架产品设计后，根据设计尺寸在 PRO/E 软件内完成零部件的建模工作，最后 完成整架模型装配工作，并分析运动干涉情况。 （3）将支架进行有限元分析 把建好的模型导入 ANSYS 有限元分析软件， 分别将液压支架在四种不同工况下顶梁 及底座加载载荷进行有限元分析处理，得出整架及部分零部件应力和位移云图。 （4）液压支架的结构改进 对液压支架顶梁、 底座等主要部件的结构进行改进， 将改进后的模型重新进行有限元 分析， 然后将分析结果与之前的分析结果进行比较， 目的是改善液压支架工作时受载状况， 降低支架在承载过程中零部件产生变形或破坏的频次， 同时也为该支架结构设计的优化和 完善提供依据。 1.4.2 技术路线技术路线 本文研究技术路线如下 （1）根据液压支架实验标准和外载荷受力分析，确定出支架工作的四种恶劣工况条 件。 万方数据 西安理工大学工程硕士专业学位论文 6 （2）对液压支架有限元模型进行合理网格划分，确定外载荷大小与边界条件，同时 设置相关参数，为后续有限元分析做准备。 （3）分析液压支架在四种工况下整架及各部件的应力和位移变化情况，找出液压支 架结构薄弱区域并对其进行结构改进。 （4）液压支架结构改进后重新对其进行有限元分析，将支架结构改进前、后的数据 进行比对，指出了液压支架结构改进的优势。 万方数据 2 液压支架工作原理及载荷分析 7 2 液压支架工作原理液压支架工作原理及载荷分析及载荷分析 2.1 液压支架概念及工作原理液压支架概念及工作原理 2.1.1 液压支架概念液压支架概念 液压支架是综采设备组成的一部分， 是机械化采煤过程中主要的支护设备。 它的动力 是利用高压液体的压力能，结构是由液压元件和金属构件组成，作用是安全可靠的支撑、 控制工作面的顶板， 使工作人员在安全的工作环境下操作运行的综采设备， 而且具备推移 刮板输送机的功能，但初期投资费用过高，约占整套综采设备的 60～70。 2.1.2 液压支架工作原理液压支架工作原理 目前，液压支架的种类较多，其工作原理和动作