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论文题目液压支架关键部位的有限元分析 专 业 机械制造及其自动化 硕 士 生何龙龙 （签名_________ 指导老师曹春玲 （签名_________ 摘 要 本文以 ZY6800/15/32D 型液压支架为研究对象， 建立了该支架三维虚拟样机， 以 煤 矿液压支架第一部分通用技术条件中的强度试验条款要求为加载条件，对支架整体 进行了的有限元强度模拟分析。参照分析结果完成的该支架样机设计在试验台上以同样 条件进行了支架强度试验，试验过程中对关键部位（点）的做了应力测试。有限元强度 分析数据与试验测试数据的对比，验证了有限元分析过程和数据结果的可信性和正确性， 为该支架一次性试制成功提供了理论指导。 使用 CATIA 软件对 ZY6800/15/32D 型液压支架创建三维实体模型， 使用 ABAQUS 有限元分析软件对其进行静力学结构分析。有限元分析过程中，对支架的三维实体模型 进行了模型的简化、装配、支架各部件接触面的处理、单元类型的选择、网格的划分、 边界条件的处理和载荷的施加等方面的研究。 支架样机的承载强度试验依据最新液压支架的试验标准煤矿液压支架第一部分 通用技术条件确定危险工况和边界载荷条件。分别以顶梁偏载和顶梁扭转两种最恶劣 的承载工况进行加载试验，采集关键部位的试验数据并与有限元分析结果对比分析，两 者基本一致。说明本文的有限元分析过程和结果是基本正确的，用此得到的所有数据可 以全面指导该液压支架所有结构件的设计。 利用 ABAQUS 中 weld 模块处理支架底座柱窝与周围筋板的焊缝连接， 与底座一体 化建模形成实体连接的分析结果进行了对比分析，两种处理方式在柱窝周围局部的应力 应变还是有一定差异，一体化实体连接建模比焊接连接产生的应力应变要小。据此，通 常为简化模型和减少支架结构件中大量的焊缝连接处理而采用的一体化实体建模，这种 方式得到的有限元计算数据在集中受力和模量突变的区域应增加一定的系数，或做必要 的局部焊缝连接的细化处理。 关 键 词液压支架；有限元分析；压架试验 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject The Analysis on Key Parts of Hydraulic Support Specialty Mechanical Manufacturing and Automation Name He Longlong Signature ____________ Instructor Cao Chunling Signature ____________ ABSTRACT Hydraulic support is one of the key facilities in the fully mechanized coal mining face. The paper took the ZY6800/15/32D type hydraulic support as the studying object, and verified the experimental result with the compare of data from simulation of ABAQUS and the pressure test. In addition, in order to verify gap between the two s of integrated modeling and the real weld-gap processing, this paper also checked out the above two s with the hydraulic support. In the paper, it built the 3D model of ZY6800/15/32D type hydraulic support with the CATIA software, and analyzed the static structure with the ABAQUS finite element analysis software. In the process of analysis, it undertook in-depth study on simplifying the models, assembling the parts, processing the contacting surfaces, the choice of element type, mesh, boundary conditions, processing load, and other aspects. In the process of the pressure test, the most dangerous situations, boundary conditions and loads were confirmed in accordance of the newest experimental criterion-The First Part of Coal Mine Hydraulic Support General Technical Specifications. Through the two different experiments of the top-beam partial load and the top-beam reverse, the paper collected mass reliable data from the key part of the support and compared with the results of finite element analysis. Finally, it introduced the gaps between theory and practice. Finally, with the analysis result of comparing the of integrated modeling and the real weld-gap processing with the weld module, the paper verified the emerged errs and interpreted the promising reasons, hence improved that the whole result of integrated modeling was smaller than that of simulation of weld and provided the theoretical reference for the design and study on hydraulic support of future. Key words Hydraulic support, Finite element analysis, Pressure test Thesis Application Research 万方数据 万方数据 目 录 目 录 1 绪论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 选题研究背景及意义 ...................................................................................................... 1 1.2 国内研究状况 .................................................................................................................. 1 1.3 国外研究状况 .................................................................................................................. 2 1.4 国内研究趋势 .................................................................................................................. 3 1.5 研究内容与研究方法 ...................................................................................................... 5 1.6 本章小结 ......................................................................................................................... 6 2 液压支架概述 ...................................................................................................................... 7 2.1 液压支架的组件 .............................................................................................................. 7 2.2 液压支架的工作原理 ...................................................................................................... 7 2.3 液压支架的四连杆机构 .................................................................................................. 9 2.4 液压支架的平面受力分析 ............................................................................................ 10 2.5 液压支架的支护强度 .................................................................................................... 12 2.6 本章小结 ....................................................................................................................... 12 3 ZY6800/15/32D 型液压支架的三维建模 ......................................................................... 13 3.1 ZY6800/15/32D 液压支架的主要技术参数 ............................................................... 13 3.2 ZY6800/15/32D 型液压支架的三维组件建模 ........................................................... 14 3.2.1 底座模型的构建 ..................................................................................................... 14 3.2.2 前后连杆模型的构建 ............................................................................................. 15 3.2.3 掩护梁模型的构建 ................................................................................................. 16 3.2.4 顶梁模型的构建 ..................................................................................................... 16 3.3 本章小结 ..................................................................................................................... 17 4 液压支架的有限元分析 .................................................................................................... 18 4.1 有限元的基本思想 ...................................................................................................... 18 4.2 有限元的基本理论 ...................................................................................................... 18 4.3 有限元的基本单位 ...................................................................................................... 22 4.4 ZY6800/15/32D 液压支架模型的导入 ....................................................................... 22 4.5 ZY6800/15/32D 液压支架模型的前处理 ................................................................... 23 4.5.1 部件处理 ................................................................................................................. 24 4.5.2 材料属性 ................................................................................................................. 24 4.5.3 装配模块 ................................................................................................................. 24 4.5.4 分析步 ..................................................................................................................... 25 4.5.5 相互作用 ................................................................................................................. 26 I 万方数据 目 录 4.5.6 载荷与边界条件 ..................................................................................................... 27 4.5.7 划分网格 ................................................................................................................. 28 4.6 ZY6800/15/32D 液压支架模型的后处理 ................................................................... 29 4.6.1 顶梁偏载工况下的分析结果 ................................................................................. 29 4.6.2 顶梁扭转工况下的分析结果 ................................................................................. 34 4.7 本章小结 ....................................................................................................................... 39 5 ZY6800/15/32D 型液压支架强度试验 ............................................................................. 40 5.1 试验设备 ....................................................................................................................... 40 5.2 试验原理 ....................................................................................................................... 41 5.2.1 应变片的工作原理 ................................................................................................. 41 5.2.2 静态电阻应变仪的工作原理 ................................................................................. 41 5.3 试验方法 ....................................................................................................................... 42 5.3.1 垫块的加载方式 ..................................................................................................... 42 5.3.2 应变片的粘贴位置 ................................................................................................. 43 5.4 试验过程 ....................................................................................................................... 44 5.5 数据的测量与处理 ........................................................................................................ 45 5.5.1 顶梁偏载加载试验 ................................................................................................. 45 5.5.2 顶梁扭转加载试验 ................................................................................................. 47 5.5.3 误差分析 ................................................................................................................. 49 5.6 本章小结 ....................................................................................................................... 50 6 ZY6800/15/32D 支架底座柱窝处焊缝处理方式的研究 ................................................. 51 6.1 支架底座柱窝与其连接件虚拟焊接处理焊缝 ............................................................ 51 6.2 支架底座柱窝与其连接件一体化处理焊缝 ................................................................ 54 6.3 柱窝焊缝虚拟焊接和一体化处理的误差分析 ............................................................ 56 6.4 本章小结 ....................................................................................................................... 59 7 总结与展望 ........................................................................................................................ 60 7.1 总结 ............................................................................................................................... 60 7.2 展望 ............................................................................................................................... 60 致谢 .......................................................................................................................................... 62 参考文献 .................................................................................................................................. 63 II 万方数据 1 绪论 1 绪论 中国有 960 万平方公里的辽阔疆域，煤炭资源极其丰富，所以长期以来煤炭都是国 家工业生产制造和居民日常生活的主要能源。随着中国工业化高速发展和经济飞速增长 的同时，对煤炭资源的需求也不断增加，迫使机械化综采设备的大力投入。液压支架作 为综采工作面的重要设备之一，其保证煤炭生产过程的高效与安全，所以需要大力研究 和推广。虽然中国在液压支架的研发和推广方面起步晚，但是经过半个多世纪的发展， 中国的液压支架在种类、性能和结构等方向都取得了一定的成果。近年来，由于国家对 机械化采煤提出更高产、更高效的要求，促使液压支架的可靠性和支护性能要求也进一 步提高，并且向着更大工作阻力、更宽中心距、更高可靠性的方向发展。 1.1 选题研究背景及意义 液压支架作为综采机械设备之一，主要起向井下作业人员提供安全作业空间的作用 和保证井下采掘运输设备安全有效的运行。液压支架从设计图纸到生产制造都是标准综 采设备投资中非常重要的一部分，世界采煤大国都非常重视液压支架的研究与发展。 从安全角度考虑，液压支架在支护的过程中要承受许多不可估计的外载荷，载荷施 加在支架的部位不可预知和其他一系列不利因素，所以液压支架特别容易损坏，这给煤 矿生产安全带来了极大的危害。此外，液压支架价格昂贵，耗资大，所以如何在保证液 压支架可靠性的前提下， 使用先进的科学技术手段设计研发出重量小、 耗材少、 强度高、 结构优、可靠性好、投资少、寿命长的液压支架对我国液压支架和煤炭事业的发展有着 重大的意义。借助有限元等工程软件，不仅可以优化支架结构、减轻支架自重、降低了 生产成本和搬运劳动强度，便于支架在井下工作的顺利进行，更是提升中国液压支架在 国际市场上的竞争力，有利于同国际市场接轨。 1.2 国内研究状况 中国最初开始研究设计液压支架在 1958 年，并于 1964 年由郑州煤机厂和煤炭科学 研究总院太原分院合作自主研制出第一台 70 型迈步式自移支架，中国液压支架国产化 的道路从此起步。上世纪 70 年代以前，中国液压支架处于开始学习阶段，这一时期的 液压支架在从结构、性能来说都比较差，创新技术少，但是为后来的液压支架技术突破 奠定了坚实的基础。80 年代，中国大量引进国外支架设备，借鉴和学习世界一流的液压 支架技术。在 1984 年，由郑煤机、沈阳开采所和北京开采所研制的中国第一套放顶煤 液压支架在沈阳蒲河矿成功完成试验。在此期间设计的液压支架整体可靠性不高，而且 移架速度较慢，各个液压元件的寿命比较短。20 世纪 90 年代中后期开始，中国液压支 1 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 架在快速发展的同时也取得显著的成果。液压支架在可靠性、整体性能、移架速度、液 压元件寿命等方面有一定的进步，不仅促使液压技术在综采研发技术中的进一步发展， 而且使中国综采工作的突飞猛进[2]。 进入 21 世纪，中国煤炭综采装备的自主研发能力、制造水平与综合实力已经达到 世界业界领先水平。不仅为国家特大矿压、特厚煤层矿井的高产高效开采提供了有力的 支持，而且逐步进入到国际高端市场。 2009 年，中煤集团成功研制的 ZY17000/33/75D 型液压支架，工作阻力可高达 17000KN，支护强度为 1.46MPa，支护高度达 7.5m。所使用的三级复合防片帮装置微间 隙配合技术、药芯焊丝焊接技术、高强度铸钢等技术已进入世界领先水平。 2011年，河南平煤机为鲁尔集团生产的第二批 12 套 ZY11310/24/52D 型液压支架完 成交付。德国是世界采煤机行业的领头羊，该订单的完成标志着中国的液压支架技术已 经得到国际市场的认可。 2014 年，中煤为神煤集团设研制的首批 10 台 ZY20000/28/55D 型液压支架验收成 功。该架 2.85.5m 的支护范围，20000KN 的额定工作阻力，中心宽度 2050mm，是当 时国内外最高为 5.5m 的支架中额定工作阻力最大、中心距最宽的液压支架，于 2014 年 3 月在补连塔煤矿 12520 号工作面中安装使用。 1.3 国外研究状况 1954 年， 英国研制出世界上第一台垛式液压支架。 通过对该支架的不断改进和配备 使用其他采煤机械设备，使英国成为当时世界上最先使用液压支架进行采煤的国家。随 后，法国研制出的节式液压支架开启了液压支架的技术革命。20 世纪 60 年代，苏联人 研制的四连杆 OMKT 型掩护式支架有效地解决了顶梁端距变化大的技术瓶颈，引领液 压支架技术到了一个全新的时代[3]。 此后，许多新型机构的液压支架相继问世，其中包括二柱、四柱以及多柱掩护式、 长顶梁等液压支架。20 世纪 70 年代，英国率先开始提出电液控制系统液压支架，事实 证明电液控制系统液压支架极大提高生产效率。 1984 年， 英国原道锑公司为美国坎赛尔 煤矿设计的双按钮微型计算机技术控制的液压支架投产使用。到了 1995 年，基于原有 的计算机控制技术，原道锑公司研制出适用于完整工作面的电液控制系统[4]。 进入 21 世纪，网络信息技术飞速发展。对世界上产煤大国而言，其从未停止对煤 炭综采设备引进高新技术而获得更高的经济利益的战略方案。德国、美国、澳大利亚等 采煤大国家不仅大力提高井下开采设备的机械化和自动化程度，而且在所有的工程部门 中不断优化升级 CAD/CAM 等工程软件，对整个综采设备进行更高精度的压力分析、 高可靠性设计和有限元分析等。目前，世界先进采煤国家的液压支架早已广泛采用电液 控制系统。例如在美国液压支架几乎全部采用电液控制系统，澳大利亚和南非的液压支 2 万方数据 1 绪论 架电液控制系统约占 60，德国占 30左右。经过 20 多年的发展，电液控制技术采用 了电磁（或微电机）控制的先导阀、先进可靠的压力和位移传感器、灵活自由编程的微 处理技术，总线数据通讯等高新技术，在国外已渐趋成熟。采用电液控制系统大大提高 了支架整体支护性能和移架速度，移架速度可达 5s/架8s/架，而且极大地改善了工人 井下作业环境、减轻了井下工人作业强度，便于实现对工作面的自动化控制和和井下工 况的监测。因而电液控制技术在液压支架上的使用已经成为国际上液压支架控制系统的 主要发展方向。 1.4 国内研究趋势 当前，中国液压支架的应用与发展主要有以下几个方面 （1）不断提高液压支架的可靠性要求 随着中国煤炭工业的快速发展，迫使综采机械化设备的要求越来越高，使得液压支 架的可靠性不断提高。通过对比中国 2001 年 8 月颁布的TM312-2000 液压支架检验技 术标准和 2011 年 1 月颁布的最新液压支架的试验标准煤矿液压支架第一部分通 用技术条件（GB25974.1-2010），我们可以发现新标准对液压支架试验工况提出了更 高的技术要求为了准确测试液压支架的性能，加载次数增加到原来的 23 倍，并且依 支架的类型明确提出支架循环组合加载的方式；完善液压支架试验，新加了多项支架集 中载荷和水平加载等；考虑到顶板下沉的支架承受能力，增加了支架让缩性能试验等。 对比新旧标准，得出我国对支架的安全性，可靠性、耐久性提出了更高的要求，并 同国际标准接轨。那么，如何提高液压支架的可靠性已成为目前液压支架设计研究的重 要课题。 （2）二柱掩护式液压支架迅速发展 由于液压支架工况的复杂性，所以支架结构越复杂，动作环节越多，液压支架的可 靠性就越低。与设计结构和动作运行复杂的四柱支架对比，二柱掩护式支架就显现出其 独特的优势 ①二柱掩护式液压支架结构简单，顶梁比较短，并且在工作阻力相同的情况下能够 支护的强度较高。 ②二柱掩护液式液压支架大多采用整体梁结构，前段具有较大的支护能力，并且在 工作过程中能够产生沿煤壁方向的水平推力，这样可以减少冒顶和片帮。 ③伸缩比大的二柱掩护式支架，能更好地适应煤层厚度的变化。 ④重量较轻，投资少，便于设备的运输。 ⑤对比四立柱液压支架，二柱液压支架受力更加平衡，稳定性更好，顶梁与底座间 空间大，更方便于电液控制的发展。 3 万方数据 西安科技大学硕士学位论文 从国外先进采煤国家的发展情况来看，二柱掩护式液压支架是综采工作面设备的先 进发展方向，是值得我们学习的。我国家现在许多大型矿区，如神东、大同、晋城、鄂 尔多斯、陕西黄陵、平顶山、淮南、淮北等矿区均选用了二柱掩护式支架。但就实际情 况来看，目前四柱液压支架在我国使用比较广泛，但二柱掩护式液压支架是今后的一个 发展方向。 （3）大采高支架迅速发展 由于我国煤炭资源相对丰富， 在国有煤矿中， 厚度在3.5m以上的煤层储量约占40， 所以大采高液压支架应运而生。其主要有以下几个特点 ①回采率高，降低生产成本。通常工作面回采率能达到 90，是对厚煤层一次采全 高最经济的方式。 ②具有较高的工作面生产能力。神东、新疆焦煤、晋城等近年进口的液压支架高度 大多在 4m 以上， 工作面年产量超过 1000 万吨的世界纪录， 这充分显示了大采高液压支 架的高效优势。 我国自从上个世纪 80 年代开始自行研发大采高支架，并且先后设计生产出 45m 的二柱掩护式大采高支架和四柱支撑掩护式大采高支架，在义马，邢台等矿区使用取得 良好效果。为了降低进口的支架成本，神华和郑煤机合作，由郑煤机在 2005 年成功为 神华研发了 ZY7600/22/45 型大采高支架，这是国产大采高支架第一个高端产品[5]。大采 高支架是一种安全高效的支护支架，为世界各国长壁煤层开采的发展起到了模范带头作 用。 （4）支架向电液控制自动化发展 随着科学技术的不断发展和进步，实现液压支架自动化，解放劳动力是未来的必然 趋势。与传统液压支架对比，电液控制系统有如下优势 ①快捷方便的实现支架的升柱、降柱、拉架和推架等动作过程，释放传统劳动力， 进行安全高效的生产。 ②可以自动监视液压支架初撑力，保证额定值。 ③可实现遥控操作，实现更高水平的采煤自动化。 目前，我国的电液控制支架还处于起步阶段和西方先进采煤国家有着很大的差距。 但随着技术的不断完善和电液控制技术的普及，我国的自动化采煤和发达国家采煤技术 的差距会