ZY120002864D 型大采高液压支架有限元分析.pdf

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装备EQUIPMENT 2012 年第 4 期 1前言 近年来, 大采高综采技术作为回采 3.5~6.0m 厚 煤层实现高产高效的途径,在我国许多矿区正逐步 推广应用[1]。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, 工作面基本顶来压更加强烈, 而作为大采 高综采工作面关键设备的大采高液压支架,出现问 题的几率也远大于一般采高的液压支架[2-3]。本文以 Pro/E 三维建模软件和 ANSYS 有限元分析软件相结 合的方式, 利用数值模拟技术, 模拟支架在顶梁受偏 载且底座两端加载和顶梁扭转加载且底座两端加载 的两种恶劣工况下的受力状况, 总结支架的应力、 应 变规律, 为支架优化提供参考。 2液压支架有限元分析 2.1液压支架三维模型的建立 由于液压支架的某些结构比较复杂, 在 ANSYS 前处理中建模比较困难,本文通过对 Pro/E 与 AN- SYS 做一定的设置实现它们的无缝连接,之后在 Pro/E 软件中建立支架的三维模型导入 ANSYS 软件 中。 液压支架的主要承载结构为顶梁、掩护梁、 连 杆、 底座、 立柱和平衡千斤顶。由于支架结构比较复 杂, 考虑到节约计算成本, 在不影响计算精度和不对 主要结构件的受力状况产生较大影响的前提下, 支 架必须进行合理的简化。液压支架建模时的简化原 则如下 (1 ) 建模时忽略焊缝, 将结构件作为一个整体建 模; (2 ) 液压支架部件轴心的距离和位置不改动, 主 要部件和零件的尺寸不改动; (3 ) 保留危险部位的细节结构; (4 ) 略去工艺结构、 不重要区的小孔及小尺寸结 构; (5 ) 忽略对支架受力影响不大的零件, 如挡销座 和吊环等; (6 ) 将平衡千斤顶简化为不能伸缩的实体杆件。 根据以上简化原则,在 Pro/E 中分别建立了液 压支架各金属构件的三维模型,装配后得到了液压 支架的三维模型, 如图 1 所示。 2.2划分网格及边界条件的施加 将支架实体模型通过 Pro/E 软件与 ANSYS 软 件的接口导入 ANSYS 软件中, 基于计算精度和计算 成本的考虑, 划分网格时选取 Solid45 单元, 设置材 料的弹性模量和泊松比分别为 2.04E5MPa 和 0.3, 设定网格尺寸不大于 50mm, 采用自由分网方式, 得 到液压支架的有限元模型。在支架结构件和销轴之 间存在接触关系,本文采用建立接触对的方法处理 图 1液压支架实体模型 1.顶梁2.掩护梁3.连杆4.底座 4 1 2 3 文章编号 1672-0121 (2012 ) 04-0043-02 ZY12000/28/64D 型大采高液压支架有限元分析 李晓,雷步芳,闫红红,刘志奇 (太原科技大学, 山西 太原 030024 ) 摘要 本文以 ZY12000/28/64D 型两柱掩护式大采高液压支架为研究对象, 采用 Pro/E 三维建模软件和 ANSYS 有限元分析软件相结合的方式, 模拟支架在顶梁受偏载且底座两端加载和顶梁扭转加载且底座两端 加载的两种恶劣工况下的受力状况,通过对计算结果的分析,得到了支架在这两种工况下的应力和应变规 律, 为支架的优化提供参考。 关键词 机械设计; 液压支架; 有限元分析; 应力; 应变 中图分类号 TD355.4文献标识码 A 基金项目 晋城市科技攻关资助项目 (20101011 ) 收稿日期 2012-03-15 作者简介 李 晓 (1987- ) , 男, 硕士在读 43 装 备EQUIPMENT 2012 年第 4 期 结构件和销轴之间的关系。 在支撑过程中,支架除受到立柱的支撑作用以 外, 还受到工作面围岩的作用力, 试验时通过放置不 同组合的垫块来模拟支架的不同工况。垫块位置如 图 2 所示。 在有限元分析过程中,把垫块的作用力当作边 界条件来处理。因此, 对于两柱掩护式支架来说, 其 外载便是两根立柱对顶梁和底座的柱窝施加的载 荷。柱窝处的受力十分复杂, 为准确模拟, 在装配时 分别在顶梁和底座柱窝处装配立柱的一部分,将载 荷 施 加 在 活 柱 和 外 缸 的 横 截 面 上 。 根 据 GB 25974.1-2010 煤矿用液压支架通用技术条件加载按 1.2 倍额定工作阻力进行试验的规定, 单根立柱所加 载荷 F 为 7200kN。 故需在顶梁与底座上装配的活柱 与外缸截面上施加的面力 P1和 P2分别为 P1 229.299MPa, P239.809MPa。根据 GB25974.1-2010, 顶梁偏载时和扭转时液压支架试验高度分别为 3100mm 和 5200mm。施加边界条件与载荷后, 加载 工况如图 3 所示。 2.3计算结果分析 2.3.1顶梁受偏载且底座两端加载 顶梁受偏载且底座两端加载的应力云图及位移 云图如图 4 所示。由图 4a 可以看出, 在顶梁受偏载 且底座两端加载工况下液压支架顶梁、掩护梁和底 座受力较大, 其中顶梁受力最大。 顶梁的最大应力出 现在顶梁与垫块相交的区域附近,在靠近柱窝处的 横筋板处达到 757.827MPa。 底座应力最大出现在四 根主筋靠近柱窝的上端部分,最大应力达到 365.995MPa。由图 4b 可以看出, 在顶梁受偏载且底 座两端加载工况下,支架最大位移为 34.905mm, 最 大位移在顶梁上。除去顶梁与垫块接触的那一部分 附近, 可以明显看到, 经由顶梁、 掩护梁、 四连杆到底 座的顺序, 位移逐渐减小。 2.3.2顶梁扭转加载且底座两端加载 顶梁扭转加载且底座两端加载的应力云图及位 移云图如图 5 所示。由图 5a 可以看出, 在顶梁扭转 加载且底座两端加载工况下液压支架顶梁与底座受 力较大, 掩护梁与四连杆受力非常小。 在顶梁前端与 垫块接触附近产生最大应力,其中一块筋板的应力 达到 882.263MPa。 底座的最大应力依然在主筋靠近 柱窝的上端部, 最大达到 346.977MPa。 由图 5b 可看 出,液压支架在这种工况下位移最大为 18.969mm, 图 2垫块位置示意图 (a ) 顶梁受偏载且底座两端加载 (b ) 顶梁扭转加载且底座两端加载 底座 垫块 垫块 顶梁 底座 垫块 垫块 顶梁 图 3加载工况 (a ) 顶梁受偏载且底座两端加载 (b ) 顶梁扭转加载且底座两端受集中载荷 P1 P2 P1 P2 图 4顶梁受偏载且底座两端加载应力与位移云图 (a ) 应力云图 (b ) 位移云图 44 装备EQUIPMENT 2012 年第 4 期 顶梁上位移变化较大, 掩护梁、 四连杆及底座位移变 化不大, 各金属构件从上到下 (顶梁→掩护梁→四连 杆→底座 ) 最大位移逐渐变小,这与顶梁受偏载且 底座两端加载工况下液压支架位移变化规律类似。 3结论 (1 ) 在上述两种恶劣工况下, 大采高液压支架的 应力均呈现分布不均, 存在应力集中现象, 某些部分 应力集中现象严重,所受最大应力已超过所选材料 的屈服极限, 应另选材料或适当改进此部分的结构。 (2 ) 为降低成本, 不必全部选用高强度钢板, 可 根据有限元分析的结果合理配置材料。 【参考文献】 [1]夏均民.大采高综采围岩控制与支架适应性研究[D].山东科技大 学硕士论文, 2004. [2]王国法.液压支架技术[M].北京 煤炭工业出版社, 1999. [3]鲁翅.大采高综采液压支架发展现状研究[J].科技资讯, 2009, (3 ) . 图 5顶梁扭转加载且底座两端加载应力与位移云图 (a ) 应力云图 (b ) 位移云图 Finite element analysis of ZY12000/28/64D model high hydraulic support for mining LI Xiao, LEI Bufang, YAN Honghong, LIU Zhiqi (Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, Shanxi China ) AbstractTaking the ZY12000/28/64D 2-column shield high hydraulic support for mining as an re- search subject, by combining the Pro/E 3D modeling software with the ANSYS finite element analysis soft- ware, the forcing situation of the support under two mean conditions has been simulated, which includes eccentric loading on canopy Finite element analysis; Stress; Strain 文章编号 1672-0121 (2012 ) 04-0045-02 大型焊接件的组装工艺探讨 程 玉,黄家仕 (徐州压力机械有限公司, 江苏 徐州 221004 ) 摘要 叙述了大型焊接件的一种装配与定位方法, 解决了传统装配工艺的问题, 安装简便, 装配精度高。 关键词 机械制造; 焊接件; 装配工艺; 锥杆; 锥套 中图分类号 TG315.4文献标识码 B 1引言 随着机械工业的快速发展, 汽车、 核电、 造船、 军 工等许多行业对大型锻压装备的需求增多。机器装 配过程中, 小型焊接件的定位大多采用单键定位, 大 型焊接件需采用双键, 有的还采用三键或四键。 装配 过程中所有的键槽必须同时对准。 由于焊件外形大, 重量大, 键槽多, 装配非常不方便。另外由于加工精 收稿日期 2012-03-31 作者简介 程 玉 (1974- ) , 男, 工程师, 从事锻压液压机设计研发 →→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→ 45
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