两柱大采高液压支架的整架有限元分析.pdf

第 38卷第 8期煤 炭 科 学 技 术 Vol 138 No 18 2010年8月 Coal Science and Technology Aug . 2010 两柱大采高液压支架的整架有限元分析 刘新华, 王国法, 刘成峰, 崔金玉 天地科技股份有限公司 开采设计事业部, 北京 100013 摘 要以年产 600万 t大采高综采成套技术与装备中的 ZY10000/26/55型两柱掩护式液压支架为 研究对象, 对其进行合理简化后, 应用 Pro/Engineer三维建模软件与 ANSYS有限元分析软件相结 合的方式建立有限元模型, 采用接触法处理销孔铰接关系,应用内加载方式对液压支架在顶梁偏 载、底座前后端集中载荷和顶梁扭转、底座前后端集中载荷 2种恶劣工况下的受力状态进行整架数 值模拟,通过对计算结果的分析,得出大采高液压支架的受力特点和变形规律,为支架的结构设计 和材料配置提供理论依据。 关键词液压支架; 有限元分析;接触法;偏载; 扭转 中图分类号TD35514 文献标志码A 文章编号0253- 2336 2010 08- 0093- 04 Full SetFinite Ele mentAnalysis on Two- LegH igh Cutting Hydraulic Powered Support LI U X in -hua , WANG Guo-fa , LI U Cheng-feng, CUI Jin -yu M ining and D esignD epart ment , T iandi Science and T echnology Company Limited, Beijing 100013, China Abstract Taking the ZY10000/26/55 mode tow leg hydraulic powered shield supports in the fully mechanized completed coalm ining technology and equipmentw ith an annual production of6 million ton as the research object ,after the rationalsi mplification ,a finite ele - mentmodelwas established with the combination of the Pro/Engineer 3D modeling software and the ANSYS finite ele ment analysis sof- t ware .The touchwas applied to handle the articulation relationship between the pin and hole .The inner loadingwas applied to the full set numerical si mulation on the loaded state of the hydraulic po wered supportunder the adverse perances of the canopy devia - tionic load and the concentrated loading on the front- end and back- end ,and the canopy torsion and the concentrated loading on the front - end and back- end . W ith the analysis on the calculati on results ,the stressed state and defor mation law of the high cutting hydraulic powered support obtained could provide the theoreticalbasis to the structural design of the powered support and thematerial allocation. Keywords hydraulic po wered support ;finite element analysis ;touch; deviationic load ;torsion 液压支架是一种高载荷质量比和低安全系数的 井下承载机械, 除满足使用性能的要求外,支架必 须具有可靠的强度才能正常工作。但由于井下地质 条件、煤层赋存条件及矿压显现的复杂多变, 使支 架的受力工况具有很大的随机性,这给支架结构件 强度计算带来很大困难, 尤其是偏载和扭转工况下 用传统的平面力学简化方法进行计算就显得更加困 难,这给支架的高可靠性设计带来很大的盲目性。 而支架的型式试验和井下使用表明, 偏载和扭转工 况下支架结构件损坏的概率更大。大采高支架的作 业环境比一般采高支架的作业环境更加恶劣, 因为 大采高工作面基本顶来压更加强烈, 采高增大使工 作面上覆岩层断裂、垮落后产生的自由空间增大, 岩层断裂垮落过程延长,动载加剧 [ 1], 所以有必 要对大采高液压支架的受力计算给予特别关注。本 文以年产 600万 t大采高综采成套技术与装备中 ZY10000/26/55型两柱掩护式液压支架为研究对 象,对其在偏载和扭转 2种组合加载工况中的受力 状态进行分析, 并应用 Pro/Engineer三维建模软件 和 ANSYS有限元分析软件对支架在这 2种恶劣工 况下的受力状态进行整架数值模拟, 通过对计算结 果的分析、总结得出支架在偏载和扭转工况下的受 力特点和应力分布规律, 为支架设计提供参考。 1 有限元模型的建立 111 支架三维模型的建立及简化 大采高液压支架由多个部件组成,每个部件的 结构都比较复杂,必须合理简化,但简化的前提是 93 2010年第 8期煤 炭 科 学 技 术第 38卷 不能对整架主要构件的受力状况产生大的影响。 两柱掩护式大采高液压支架,主要由顶梁、掩 护梁、前后连杆、底座、侧护板、护帮板等部件组 成。在做整架数值模拟时,非主要承载部件如护帮 机构、侧护板等可被省略,而立柱可用力学等效的 原则替代。通过分析可知,支架主要承载部件为顶 梁、掩护梁、前后连杆、底座、平衡千斤顶, 主要 承载部件全部保留, 但保留部件还需做进行一步合 理简化。其简化原则如下 [ 2- 3]。 1 支架结构件均由钢板焊接而成,建模时, 可 忽略焊缝, 将各部件分别作为一个零件进行建模。 2 在不影响零件基本特征和受力工况的情况 下,简化细小特征, 如较小的倒角和圆角等。 3 忽略对部件受力不会产生较大影响的零 件,如挡销座和吊环等。 4 次要零件受力较小的部分可以简化,经过 简化处理后,部件承受载荷的能力不应增强。 5 主要部件和零件的尺寸不改动。 6 简化后使有限元分析计算所耗计算机资源 适中。 按照以上简化原则在 Pro/Engineer软件环境中 建模, 如图 1a所示。 图 1 支架实体模型和有限元模型 112 划分网格生成有限元模型 选择 Solid45六面体单元, 材料弹性模量和泊 松比分别取 204 GPa和 013。设置好各种参数后, 对实体模型进行网格划分,生成有限元模型, 如图 1b所示。从划分网格后的结果看,网格较均匀, 能够满足整架有限元分析计算的要求。 2 边界条件与载荷 因条件限制,目前我国支架型式试验基本上都 采用逐项对支架主体结构件进行加载的方式, 而欧 洲标准早已采用组合加载方式进行试验,研究表 明,组合加载更加符合支架的实际工况。为进一步 研究大采高液压支架的受力特点和变形规律, 采用 2种组合加载方式进行计算,分别为 顶梁偏 载、底座前后端集中载荷工况;顶梁扭转、底座 前后端集中载荷工况 [ 4- 5]。 211 边界条件 在工作面开采过程中,支架不仅承受立柱的支 撑载荷,也承受来自工作面围岩的压力载荷, 试验 时以放置不同垫块来反映井下支架受围岩作用力的 不同工况。如果采用内加载方式,计算中不能把垫 块的作用力当作外载荷来考虑, 而是当作边界约束 条件来处理。具体而言, 不管何种工况, 都要约束 顶梁垫块在垂直方向的平动自由度, 这是考虑到支 架顶梁同工作面顶板、底座同工作面底板充分接 触,且位移很小,同时也考虑支架在试验台上的实 际约束状态。根据井下工况与数值模拟计算需求, 底座垫块下表面施加全自由度约束 [ 6]。 212 加载 由于将垫块作为边界约束条件来处理,因此, 对于两柱掩护式支架来说, 内加载便是 2根立柱对 顶梁、底座柱窝所加载荷。ZY10000/26/55型两柱 掩护式液压支架工作阻力为 10 000 kN,单根立柱 的工作阻力为 5 000 kN。 MT 312 2000 5液压支架通用技术条件 6 规 定,除对柱窝加载按 113倍额定工作阻力进行试验 外,其他加载按 112倍额定工作阻力进行试验。所 以对单根立柱所加载荷 F要加大到 6 000 kN。 在建模过程中, 分别在支架顶梁与底座柱窝处 保留一段活柱与缸底以替代立柱方便精确加载。活 柱截面面积 S1和大缸缸底截面面积 S2分别为 S1 P D 2 1/4 , S2 P D 2 2/4 ,其中D1为活柱直径,取 200 mm; D2为立柱大缸直径,取 400 mm。 故需在顶梁与底座上保留的活柱与缸底截面上 施加的面力 P1施加于顶梁柱窝 和 P2施加于 底座柱窝 分别为P1 F /S1 1901985 MPa , P2 F /S2 471746 MPa 。施加边界约束条件与载 荷后, 加载工况如图 2所示。 3 难点处理 311 立柱的简化 立柱在支架使用过程中主要起承受工作面矿压 和调节支架高度的作用,而在支架的型式试验中, 支架的内加载试验主要是靠立柱来实现, 但是在有 94 刘新华等 两柱大采高液压支架的整架有限元分析2010年第 8期 图 2 加载工况 限元分析计算中,立柱不必与结构件同时进行受力 计算, 因为立柱的结构比较复杂,而立柱的受力特 点主要是以二力杆的方式体现, 所以在整架有限元 分析中完全可以用力学等效的原则把立柱去掉。 立柱去掉以后, 需要把面力直接加载到顶梁与 底座柱窝上,但是顶梁与底座柱窝的受力面都是球 面,且立柱与顶梁、底座不垂直,故加载面力大小 与加载后的合力大小很难准确求解。为了与型式试 验时的加载方式一致,在建模过程中,分别在支架 顶梁与底座柱窝处保留一段活柱与缸底图 3, 这样处理可方便准确地加载。通过分析发现这种处 理方法并不影响支架其他部件的受力状态,且这种 加载方式与实验室的加载方式基本一致, 所以是可 行的。 图 3 立柱简化示意 312 平衡千斤顶的简化 通过对支架工作原理的分析发现,支架平衡千 斤顶上下腔液体压力在安全阀调定值以内时, 上下 腔始终通过双向锁闭锁。在支架承受工作面顶板载 荷过程中平衡千斤顶被动受力, 根据这个特点确定 平衡千斤顶的简化方法为把计算支架高度时的平 衡千斤顶作为不能伸缩的实体杆建模,这样可以实 现平衡千斤顶被动受力的效果。 313 铰接销孔的处理 在支架装配体中,各部件相互铰接中都存在部 件与销轴的接触关系,关于销轴问题的处理方法主 要有黏结法、约束方程法、接触法 3种。研究表 明,应用接触法可以取得较好的计算效果,本文对 销孔的处理采用接触法。 4 计算结果分析 支架顶梁偏载底座前后端集中载荷工况与顶梁 扭转底座前后端集中载荷工况应力云图与位移分别 如图 4和图 5所示。 图 4 顶梁偏载、底座前后端集中载荷工况应力与位移 图 5 顶梁扭转、底座前后端集中载荷工况应力与位移 从图 4可以看出, 在顶梁偏载底座前后端集中 载荷工况下支架顶梁、掩护梁、四连杆应力最大, 顶梁应力最大区域出现在与垫块接触部位,掩护梁 应力分布较均匀,且最大应力出现在与顶梁、四连 95 2010年第 8期煤 炭 科 学 技 术第 38卷 杆铰接的销孔处,四连杆中右后连杆应力较大,最 大值为 405MPa 。从图 5可以看出, 在顶梁扭转底 座前后端集中载荷工况下, 顶梁、底座应力最大, 掩护梁、四连杆应力较小且分布均匀。 2种工况 中,顶梁扭转工况各部件应力比顶梁偏载工况要 小,这说明偏载工况时支架受力更恶劣。 通过对以上 2种工况下支架几大部件最大位移 变化曲线图 6 分析可得出,支架在顶梁偏载、 底座前后端集中载荷工况下变形最大,最大位移值 达到 29mm,支架在顶梁扭转、底座前后端集中载 荷工况下最大位移值较小,为 1312 mm。通过分析 2种工况下支架整架位移图与 2种工况下几大部件 最大位移变化曲线, 可得出支架结构件在承载过程 中要发生变形, 变形大小为 10 30 mm, 支架工作 高度越低变形量越大,并且是从上到下 顶梁 y 掩护梁y 四连杆 y底座 变形量逐渐变小。这种 变形趋势为设计支架进行材料布置提供依据, 支架 变形大的部位多用塑性好的材料,支架变形小且应 力大的部位多用强度高的材料,即从上到下顶 梁y掩护梁 y四连杆 y 底座 结构件材料强度等 级应逐渐提高。 图 6 2种工况下支架几大部件最大位移变化曲线 5 结 论 1 支架的应力分布表现为局部性、区域性存 在,呈应力集中现象。因此, 对支架设计而言,为 了节约成本,无需整架都采用高强板,而是在关键 受力部位施以强度较高的板材或加厚处理。 2 传统的平面力学简化方法只能简单计算支 架受纵向对称载荷的工况,而无法模拟支架的实际 工况。采用有限元接触法可模拟空间非对称的受力 工况, 从而使得计算结果更加符合实际。 3 通过对支架整架位移图和部件最大位移变 化曲线的分析, 得出支架结构件在承载过程中的变 形规律,为支架设计进行材料配置提供依据。 参考文献 [ 1] 王国法 1 液压支架技术[ M ]. 北京 煤炭工业出版社, 1999. 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