矿用液压支架顶梁强度分析与优化研究.pdf

总第209期 2020年第9 期 机械管理开发 MECHANICAL MANAGEMENT AND DEVELOPMENT Total 209 No.9,2020 D0110.16525/l4-1134/th.2020.09.059 矿用液压支架顶梁强度分析与优化研究 周绍华 轩岗煤电有限责任公司刘家梁矿， 山 西 忻 州CB4000 摘要以Z n200V23/35型 矿用液压支架的顶梁为研究对象，介 紹 了 顶 梁 的 组 成 及 功 能 ，借 助ProE和 ANASYS Workbench 16.0软件完成了顶梁的建模分析， 结果表明， 顶梁存在强度设计缺陷。采用增加结构件厚 度的方法对顶梁进行优化改进， 分析结果表明优化效果显著， 实践结果表明改进之后的顶梁可靠性很好。 关键词 液 压 支 架 顶 梁 强 度 分 析 优 化 改 进 中图分类号TD823.97 文献标识码A 文章编号 1003-773X 202009-0140-03 引言 顶梁作为液压支架的重要组成部分，是直接承 受载荷的部件，其工作的安全性和可靠性已引起各 界 的 高 度 重 视 。 顶梁所处的工作环境较恶劣， 受力 情况较复杂， 因此对其结构强度要求较高。液压支架 工作过程中， 顶梁一旦受损， 将会对综采工作面内工 作的设备、 人员等产生安全隐患， 严重的将会酿成事 故 ， 给煤矿企业带来不可估量的损失[W。 因此开展液 压支架顶梁强度分析_ 优化研究具有重要意义。 1液压支架顶梁的组成及功能 顶梁作为液压支架中极其重要的组件，其常用 的结构形式包括以下三种刚性顶梁、 铰接式顶梁和 伸缩铰接顶梁。 其相同之处均采用钢板焊接而成， 呈 现箱式结构,箱体内部焊接加强筋， 以提高顶梁的整 体强度和刚度。 顶梁的前端形状大多制成滑撬形式， 也可制成圆弧形式，目的是降低支架移动过程中的 阻力。 顶梁内表面焊接两个柱窝， 其两侧设计连接销 孔 ， 便于使用销轴将顶梁与立柱连接,实现顶梁髙度 的调整;顶梁的尾部两侧设计两个连接孔， 采用销轴 将顶梁与掩护梁连接， 实现顶梁的固定;顶梁尾部中 间设计一个连接孔， 用于连接千斤顶,实现顶梁工作 过程中俯仰角的调整。 2液压支架顶梁有限元仿真分析 为了提高液压支架顶梁工作的可靠性，保证顶 梁具有足够的结构强度，降低其工作的故障率， 以 ZF12000/23/35型矿用液压支架顶梁为研究对象， 对 其结构进行静力学有限元仿真分析，观察顶梁结构 内部应力、 位移分布情况， 以期找出结构强度较低的 位置， 进行改进优化， 提高顶梁的整体承载能力。 收稿日期2020-07-03 作者简介周绍华（ 1991 一 ， 男， 山西河曲人， 毕业于晋中职业技 术学院机电一体化专业， 助理工程师， 轩岗煤电有限责任公司刘 家梁矿调度室副主任。 2 . 1 三维模型建立 顶梁结构较为复杂，对其完整模型进行仿真分 析不仅模型导入过程中极易出错，而且仿真计算量 很大， 将会耗费大量时间， 因此为了提高有限元仿真 计算的效率和质量,需要对模型进行简化。 省略各类 倒角、 焊缝等， 将顶梁简化成一个整体； 省略部分对 静力学分析结果影响较小的结构小孔，提高网格划 分效果。简化之后运用PmE三维软件完成了顶梁三 维模型的绘制， 如 图 1 所示。 图 1顶梁三维模型 2 . 2 有限元模型建立 将顶梁三维模型保存为.igs格式文件， 之后导入 ANASYS Workbench 16.0大型有限元分析软件， 打开 之后进行模型材料属性的设置，顶梁材料为Q690, 具体材料属性参数如表1 所示，按表内参数数值赋 予顶梁模型材料属性。 表1材料属性 弹性模量/MPa泊松比密度/kg*nr3 屈服强度 /MPa 抗拉强度 /MPa 2.04E50.37850690730-940 顶梁单元网格划分过程中需要以顶梁结构为依 据 ， 顶梁结构简化之后较为简单， 选择实体单元类型 中的六面体SOLID45单元即可，以便提高仿真分析 计 算 的 效 率 。接 下 来 的 工 作 是 网 格 划 分 ，选择 ANASYS Workbench 16.0仿真分析软件内部自由划 分网格的方法完成。 顶梁工作过程中主要受到立柱的支撑以及掩护 梁的铰接约束，所受载荷主要来源于综采工作面围 堰的压力， 此处进行顶梁静力学分析约束设置时， 将 2020年第9期周绍华矿用液压支架顶梁强度分析与优化研究 141 顶梁与立柱支撑位置、顶梁与掩护梁连接位置均设 置为固定约束， 为了更接近顶梁实际工作状况， 对顶 梁施加偏载，压力载荷施加位置处于顶梁上表面长 度方向中心， 宽度方向距离中心线四分之一位置， 载 荷大小为2001， 至此完成了顶梁有限元模型约束和 载荷的设置。 3仿真结果分析 对顶梁完成材料属性设置、 网格划分、 约束和载 荷施加之后即可启动ANASYS Workhendi 16.0中的 求解器进行仿真计算。仿真计算输出结果根据需要 可以进行选择,如应力、 应变、 位移等， 顶梁静强度分 析主要了解其强度分布情况，进而找出强度薄弱环 节进行改进，因此结果输出选择Mises等效应力分 布云图和位移分布云图。顶梁仿真分析结果如图2、 图 3 所示，其中图2 为顶梁Mises等效应力分布云 图， 图 3 为顶梁位移分布云图。 图3顶梁位移分布云图 从 图 2 顶梁的Mises等效应力分布云图可以看 出， 液压支架工作过程中顶梁的最大应力值cr 出 现在前侧板,最大应力值为1 440 MPa,观察整个顶 梁的应力分布云图可以看出，应力分布以顶梁柱窝 位置较为集中， 应力值为980 MPa,向外扩散过程中 应力逐渐减小， 最小应力值接近0〇由分析结果可以 看出顶梁实际工作过程中应力集中位置的应力值已 经超过了顶梁材料的抗拉强度，继续使用很可能出 现破坏事故， 需要进行结构改进， 以期将顶梁的最大 应力降低至材料屈服强度之内，重点是顶梁前侧板 和柱窝两侧加强筋位置， 保证顶梁工作的绝对安全。 从图3 顶梁位移分布云图可以看出，在顶梁受 力方向上， 即F轴方向， 顶梁的左侧护板出现了较 为明显的位移， 位移量为20.25 mm,顶梁整体位移 分布呈现出由左侧护板位置向外延伸过程中位移量 逐渐变小的趋势,最小的位移量几乎为0。由于仿真 分析过程中的载荷施加为偏载，因此承受载荷一侧 护板出现了明显位移变形，但是侧护板工作过程中 仅起保护顶梁的作用， 并不直接承受载荷， 因此顶梁 的优化工作重点应该放在前侧板和柱窝两侧加强筋 区域。 4顶梁的优化改进及效果 针对液压支架中顶梁内部最大应力超过材料抗 拉强度问题， 需要采取措施进行优化改进， 以实现顶 梁实际工况所受的最大应力低于材料的屈服强度， 提高液压支架的安全可靠性。类似结构件的优化措 施较多， 包括更换强度更高的材料进行顶梁制造;调 整顶梁内部结构件的分布或者增加内部加强筋的数 量 ， 以提高整体承载能力； 改变顶梁前侧板和柱窝两 侧加强筋的厚度。结合顶梁实际情况以及优化改进 方式的实施性，对于顶梁结构优化改进的方法采用 改变前侧板和柱窝两侧加强筋厚度进行。 4 . 1 顶梁前端盖板的改进 从 图 2 顶梁的Mises等效应力分布云图可得最 大应力出现在前侧板和柱窝两侧加强筋位置，采用 改变其厚度的方式进行优化设计，以期提高整个顶 梁的强度， 保证顶梁工作过程的稳定性。 查阅工程图 纸得到当前顶梁前侧板的设计厚度为15 mm, 柱窝 两侧加强筋厚度为25 mm, 考虑到顶梁工作过程中 前侧板和筋板对于顶板承受载荷的重要性以及增厚 对于顶梁重量的影响， 将顶梁前侧板的厚度增加15 mm,柱窝两侧加强筋厚度增加5 mm,之后修改有限 元仿真分析模型,对改进之后的顶梁进行仿真分析， 观察顶梁的应力最大值。 4_2仿 真 验 证 通过进行有限元仿真分析，得到了改进之后顶 梁 的Mises等效应力分布云图， 如下页图4 所示。由 图 4 可以看出改进之后的顶梁应力状态得到了大大 改善，前侧板位置的应力由改进之前的1 440 MPa 降低至了 486 MPa, 这也是改进之后顶梁结构中的 最大应力， 其远远低于顶梁材料的屈服强度， 柱窝两 侧加强筋位置的应力由改进之前的980 MPa降低至 了 320 MPa,可见改进效果较为显著， 极大地提高了 顶梁的结构强度。 4 . 3 改进应用及效果 根据仿真结果对液压支架顶梁进行改进，在前 侧板基础上焊接15 mm厚 的Q690板 ，同时在原顶 梁柱窝两侧加强筋基础上焊接5 mm厚 的Q690板 ， 142.第3 5卷 图 4改进后顶梁M ises等效应力分布云图 即完成顶梁的改造工作。 通过跟踪改造之后， 液压支 架的工作情况得出顶梁改造效果明显，降低了液压 支架的维护维修频次和运维成本，大大提高了液压 支架的工作可靠性，为综采工作面内部作业人员的 生命安全提供了保障。 5结论 1借助 ProE 和 ANASYS Workbench 16.0 软件 完成了顶梁的建模分析，确定顶梁前侧板和柱窝两 侧筋板处的最大应力值为1 440 MPa， 高于顶梁材料 的抗拉强度， 存在设计缺陷。 2通过加厚前侧板和柱窝两侧筋板的方法对顶 梁进行优化改进， 前侧板和柱窝两侧筋板增厚至30 mm之后， 分析结果表明， 优化改进效果显著， 最大 应力为486 MPa, 实践结果表明改进之后的顶梁大 大提高了液压支架工作的可靠性。 参考文献 [ 1 ] 唐琨， 冯梅梅.充填液压支架顶梁结构有限元分析及优化[J]. 煤 矿机械,2014,352 76-78. 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Key words hydraulic support; top beam; strength analysis; optimization improvement 上 接 第 4 页 ） Design and Research on Overload Safety Protection Device of CMQ300 Residual Film Removing Machine Li Jinwen1 , Wang Liqin2 1.Research and Development Department of Shanxi Agricultural Machinery Development Center, Taiyuan Shanxi 030002; 2.Beiqi Futian Research Institute, Beijing 102206 Abstract In order to solve the problem of mechanical damage under overload condition and prevent overload failure of hard plough bottom layer or stone, tree root and so on to deep loose shovel tip and shovel handle and main parts of single frame, through the analysis of tillage resistance, single working process force, stress state analysis and safety shear pin force state of CMQ300 residual film removing machine By theoretical calculation, the main parameters such as the structure of safety overload protection and the material and diameter of shear pin are established, and the single shear pin overload safety protection device is designed on the CMQ300 type residual film removal and preparation machinery. Field experiments show that the mechanism has low manufacturing cost, reliable work and can play the role of overload protection. Key words CMQ300 type residual film remover; overload protection; prestress check