ZY12000 28 63D 型液压支架柱窝结构的优化.pdf

第 29 卷第 8 期 2 0 1 2 年 8 月 机械设计 JOURNAL OF MACHINE DESIGN Vol． 29 No． 8 Aug．2012 ZY12000/28/63D 型液压支架柱窝结构的优化 * 陈静， 刘建英 河南工程学院 机械工程系， 河南 郑州451191 摘要 利用有限元分析的方法和理论， 将不同结构的薄、 厚柱窝对顶梁变形和应力的影响做对比分析， 探讨适合大采 高、 大阻力液压支架的最佳柱窝结构。依据液压支架试验标准 GB 25974． 12010 煤矿用液压支架第一部分 通用技术 条件 ， 选取了大采高液压支架柱窝受力最恶劣的工况 扭转工况进行有限元分析。通过对不同柱窝结构应力的分析 及对比， 找到了一种更适合大采高液压支架的柱窝结构， 同时为改进柱窝结构的强度设计、 提高柱窝的力学性能提供了 依据和路线。 关键词 液压支架; 柱窝; 优化; 有限元分析 中图分类号 TD724文献标识码 A 文章编号 1001 －2354 2012 08 －0061 －03 柱窝是液压支架重要的受力部件之一， 与立柱柱 头相结合。顶板的压力、 采空区矸石下落形成的强大 气流带来的冲击力等均会通过立柱传递到柱窝上， 使 顶梁柱窝及柱窝附近成为易损部位。随着矿井对大采 高、 大工作阻力支架需求的增加， 较高的支撑力更易造 成柱窝处的损坏， 因此提高柱窝的强度性能对提高支 架的整体强度和可靠性十分重要。 文中利用有限元分析的方法和理论， 将不同结构 的柱窝对顶梁变形和应力的影响做对比分析， 探讨适 合大采高、 大阻力液压支架的最佳柱窝结构。 1柱窝结构分析 依据最新液压支架的试验标准 GB 25974． 1 2010煤矿用液压支架第一部分 通用技术条件 ， 对 ZY12000/28/63D 型大采高液压支架进行整架强度有 限元分析， 有限元分析采用 SolidWorks 结合 simulation 软件。顶梁柱窝分别采用不同结构分析柱窝及附近顶 梁的受力情况。由于柱窝及其附近顶梁受力最大， 且 最容易损坏的情况常发生在扭转工况， 因此下面针对 这种工况进行分析。图 1 为扭转工况时垫块的位置。 按照标准 GB 25974． 12010， 扭转工况实验时， 试验 压力为 1． 2 倍工作压力， 支架高度为最大高度减去行 程的 1/3［1 －3 ］。 共建立了 4 种结构的柱窝模型， 结构分别如 图 2 ～ 图 5 所示。图 2 为液压支架中常见的厚柱窝结 构， 已在多种支架中得到使用。但这种柱窝结构在承 受较大顶板压力时， 曾发生过将顶板顶穿的事故。图 3 为加上侧板改进后得到的厚柱窝结构。图 4 为从德 国进口的支架测绘并适当改进得到的薄柱窝结构。图 5 为薄柱窝加侧板及底部加十字筋后的结构。文中分 别对 4 种柱窝结构完成扭转工况时的强度进行了有限 元计算， 对计算结果进行对比分析研究， 为提高柱窝的 力学性能提供依据。 图 1扭转工况时垫块的位置 图 2传统的厚柱窝结构 *收稿日期 2011 －11 －16;修订日期 2012 －02 －22 作者简介 陈静 1964 ， 女， 河北秦皇岛人， 副教授， 硕士， 研究方向 机械设计及制造。 图 3加侧板厚柱窝结构 图 4改进的薄柱窝结构 图 5薄柱窝加侧板及十字筋结构 2扭转工况时的有限元分析过程 2． 1模型的创建与处理 ZY12000/28/63D 型大采高液压支架的模型如图 6 所示， 包括顶梁、 底座、 前连杆、 后连杆、 掩护梁、 立柱等 多个部件。液压支架的设计模型非常复杂， 需要简化后 才能用于有限元分析， 去除不承载的结构和不影响主体 强度、 应力的细小结构， 如倒角、 圆角、 小孔等; 除非焊缝 处出现应力集中的状况， 否则主体构件的焊缝不建模; 由于实验采用内加载的方式， 所以将立柱去除， 用载荷 替代 ［ 4 －8 ］。简化后的液压支架模型如图7 所示。 将 4 种顶梁结构与其他主要构件 底座、 前连杆、 后连杆、 掩护梁、 垫块 装配成3 个装配体， 分别进行分 析计算。液压支架高度为 H 6 300 － 6 300 －2 800 /3 5 133 mm 图 6液压支架模型 图 7简化后的液压支架模型 2． 2材料 ZY12000/28/63D 液 压 支 架 主 体 结 构 材 料 为 Q690， 材料属性见表 1 所示。 表 1 Q690 材料明细表 属性数值 弹性模量/GPa207 质量密度/ kg/m37 850 泊松比0． 3 抗拉强度/MPa940 屈服强度/MPa690 2． 3约束 液压支架主构件之间的约束十分复杂， 其中顶梁、 底座、 连杆与掩护梁之间的柱销由于相对主结构而言 很小， 如果采用真实接触运算量非常大。由于分析的 重点并不是柱销的局部强度， 所以对于柱销采用软件 提供的销钉约束代替。 试验的方式采用内加载， 垫块的表面采用固定约 束， 垫块和顶梁、 底座的接触面采用真实接触， 摩擦因 数取 0． 15。 2． 4载荷 采用内加载的方 式， 载 荷 为 12 000 1． 2 14 400 kN， 载荷施加在柱窝的球面上， 力的作用线沿 立柱的轴线方向。 2． 5网格划分 网格选用四面体单元， 单元大小设定为 40 mm， 一 共划分了 71 万个单元。 2． 6解算器 由于单元数量达到了 71 万个， 所以采用软件自带 的 FFEPlus 解算器进行求解。 2． 7结果 强度分析的结果如图 8 所示， 为了方便与试验应 力检测数据进行对比， 所以应力的探测点选择在柱窝 外侧主筋表面的一点作为应力探测的位置。 26机械设计第 29 卷第 8 期 a 传统的厚柱窝结构应力图 b 加侧板厚柱窝结构应力图 c 改进后的薄柱窝结构应力图 d 薄柱窝加侧板及十字筋结构应力图 图 8不同柱窝结构应力图 由图 8 得出， 改进的薄柱窝结构模型应力为 338 MPa; 改进后并加侧板和十字筋的薄柱窝结构模型应 力最小， 为 316 MPa。加侧板的厚柱窝结构模型应力 为 368 MPa; 传统的厚柱窝结构应力最大， 为376 MPa。 综上所述， 改进后加侧板薄柱窝结构为优化后的最佳 柱窝结构。 3结论 通过对不同柱窝结构应力的分析及对比， 找到了 一种更适合大采高液压支架的柱窝结构， 为改进柱窝 结构的强度设计、 提高柱窝的力学性能提供了参考 依据。 参考文献 ［ 1］GB 25974． 12010煤矿用液压支架第一部分 通用技 术条件［ S］ ． ［ 2］鲁忠良， 景国勋． 液压支架设计使用安全辨析［M］ ． 北 京 煤炭工业出版社， 2006 4 －5． ［ 3］赵岩． 液压支架国内外现行标准的对比分析［J］ ． 煤矿 机械， 2012， 33 1 86 －87． ［ 4］杜长龙， 肖世德． 液压支架计算机辅助分析与设计［ M］ ． 徐州 中国矿业大学出版社， 2001 71 －80． ［ 5］王国法， 徐亚军， 孙守山． 液压支架三维建模及其运动仿 真［ J］ ． 煤炭科学技术， 2003， 31 1 42 －45． ［ 6］章巧芳， 毕向秋． 三维接触有限元分析在产品设计中的 应用［ J］ ． 机械设计， 2007， 24 3 29 －31． ［ 7］张强， 林博， 张宗山． 汽车起重机车架结构有限元分析 ［ J］ ． 机械设计， 2011， 28 9 56 －58 ． ［ 8］赵喜敬， 于淑政， 范进桢． 等低位放顶煤液压支架的运动 模拟分析［ J］ ． 矿山机械， 2000， 28 5 25 －26． Structure optimization of column nest of type ZY12000/ 28/63D powered support CHEN Jing，LIU Jian- ying Departments of Mechanical Engineering，Henan Institue of Engineering，Zhengzhou 451191，China AbstractAs different structures of thin and thick column nests have different impacts on deation and stress of top beam， this paper uses the finite element analysis and theory to car- ry out a comparative analysis about them，explore the best column nest structure of hydraulic support with big mining height and big resistance． According to the latest domestic coal industry standard GB 25974． 12010“Powered support for coal mine- Part1General specification” ，the one of most dangerous working conditions of the column nest structure of hydraulic support with big mining height， that is，reverse condition was selected to do finite element analysis． Through the different structural stress analysis and contrast of col- umn nest，to find a more suitable structure of column nest for hy- draulic support with large mining height，at the same time，to pro- vide the basis and routes for improving the design strength of the structure and enhancing the mechanical properties． Key wordshydraulic support;column nest;optimization;fi- nite element analysis Fig 8 Tab 1 Ref 8“Jixie Sheji” 1653 362012 年 8 月陈静， 等 ZY12000/28/63D 型液压支架柱窝结构的优化