液压支架底座优化设计.pdf

2 0 1 2 年第 6 期 中州煤炭 总第 1 9 8 期 液压支架底座优化设计 裴 志毅 ， 周 玉乾 ， 李 书 臣 1 ． 平顶 山煤矿机械有 限责任公 司， 河南 平顶 山4 6 7 0 0 1 ； 2 ． 河南红旗煤 业股份有 限公 司， 河南 ， 巩义4 5 1 2 7 1 摘要 采用非线性有限元软件 A B A Q U S对支架在顶梁弯 曲、 底座对 角线加载工况进行 有限元分析 ， 根据底 座 各部位 的应力分布情况 ， 对其进 行优 化设 计， 在确保满足使 用要求的基础上， 显著 降低 了底座 的质量。 关键词 液压支架 ； 底座 ； 有限元分析 ； 优化设计 中国分类号 T H1 4 0 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 【 2 0 1 2 0 6 0 0 2 40 2 Opt i m a t i o n De s i g n o n t h e Ba s e o f H y d r a u l i c S u pp o r t s Pe i Zh i y i ， Z ho u Yu q i a n ， Li S h uc h e n 1 ． Pi n g d i n g s h a n C o a l Mi n e Ma c h i n e r y C o ．， L t d ．， P i n g d i n g s h a n 4 6 7 0 0 1 ， C h i n a； 2 ． He n a n Ho n g q i C o a l I n d u s t r y L i mi t e d L i a b i l i t y C o m p a n y， G o n g y i 4 5 1 2 7 1， C h i n a Ab s t r a c t B y u s i n g t h e n o n l i n e a r f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e AB AQUS， t h e s t r e s s s t a t u s o f t h e h y d r a u l i c s u p p o o n t h e w o r k i n g c o n di t i o n t h a t c an o p y b e n di ng c o mbi ne d wi t h ba s e d i a g o n a l l o a d i ng wa s s i mul a t e d． Th e o p t i mi z a t i o n de s i g n wa s c a r r i e d o u t a c c o r di n g t o s t r e s s di s t r i b ut i o n o f b a s e． Th e a p pl i c a t i o n o f t h i s d e s i g n o b v i o us l y r e d uc e d t he we i g ht o f t h e ba s e， a nd s a t i s f i e d t he d e ma nd o f u s a g e． Ke y wo r ds h y d r a ul i c s u pp o ； b a s e； f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s； o p t i c a l d e s i g n 液压 支架 由多个 部件组 成 ， 结构 复杂 ， 动辄 十多 吨 ， 甚 至几 十 吨 ， 支护 高度 为 7 ． 2 m 的支架质 量 已经 达到 7 0 t ， 其受 力状 况 十分复 杂 ， 极 易 引起 局 部应 力 增高 ， 影响支架整体的使用性能。为此， 需对液压支 架 结构 进行 综合 分析 。为保 证 支架各 部件 分析结 果 的准确 性 ， 确定运 用 有 限 元 隐式 分 析 法对 各 部 件 逐 个 进行 分 析 。 本文 以 Z Y1 7 0 0 0 ／ 3 2 ／ 7 2 D 型 支 架 的底 座 为 例 ， 运用 大 型 非 线 性 有 限 元 分 析 软件 A B A Q U S对 其 进 行优 化设 计 ， 改 善其 受力状 况 ， 减小质 量 。虽然 只对 底座 进行 优化处 理 ， 但 为 了保证 载荷 和 边界 条 件 传 递 的准确性 ， 仍 采用 整架 分析方 法 ， 底 座采 用精 确 网 格 ， 其 他部 件 网格 粗 化 。 l有限元分析 1 ． 1 分 析依 据 由于井下工作条件 比较复杂 ， 故难 以准确模拟 液压 支架 在井 下 的 真 实工 作 状 况 。 因此 ， 对 其进 行 收 稿 日期 2 0 1 2 0 21 4 作者简介裴志毅 1 9 8 O 一 ， 男 ， 河南舞阳人， 助理工程师 ， 现从事液 压支架的设计 、 研究及技 术中心管理工作。 2 4 有 限元分 析时 ， 主要 参照 G B 2 5 9 7 4 ． 1 2 0 1 0 煤 矿用 液压 支架 通 用 技 术 条 件 中 的 液 压 支 架 压 架 试 验 ， 通过 在支 架不 同位置 放置 垫块来 模 拟其在 井下 不 同 的工作状 况 。 压 架试 验形 式 比较 多 ， 涉 及 底 座 的有 底 座两 端 加 载 、 底 座扭转 加 载 、 底座 对 角 线 加 载 、 底 座横 向 中 间加 载 等几种 工 况 。其 中 ， 对底 座 影 响 最 大 的是 底 座 对角 线加载 工 况 ， 此 工况 涵 盖 了 底 座弯 曲 、 扭 转 、 偏载等工作状态， 可以综合考察前后过桥 、 内外主筋 及 贴板 等底座 的 主要 承力 部位 。 在 分析 过 程 中 ， 底 座 和 垫 块 之 间是 接 触 关 系 图 1 ， 把垫 块 对 支架 的作 用 力 当作 约 束 条 件 来 处 理 ， 垫块 上 的 3个平 移 自由度被 约束 ； 顶梁 顶板 上端 面约束 3个平 移 自由度 。采 用 立柱 内加 载 的 方式 ， 用 等效 载荷取 代立 柱 ， 载 荷方 向取 立柱轴 线方 向 ， 载 荷 取工 作阻 力的 1 ． 2倍 。 图 1底 座 弯 曲 工 况 垫 块 位 置 2 0 1 2年 第 6期 裴 志毅 。 等 液压支 架底 座优化 设计 总第 1 9 8 期 1 ． 2材料 及属 性 支架设计 中主要使用的 Q 6 9 0和 Q 5 5 0钢板 属 于典 型的各 向异性 材料 ， 由于在加 工过 程 中 ， 需要 校 平 、 加热炉消除应力等工序 ， 钢板的纵向刚度要大于 横 向刚度 。因此 ， 在 支 架 的生 成 过 程 中要 严 格 执 行 下 料 工序 ， 保 证 主筋 、 顶 板 、 盖板 等 主 要受 力 部 件 纵 向切 割 。 根据试 验 ， 虽然 钢 板 的纵 、 横 向 刚度 不 一 样 ， 但 相差 并 不 大 。因此 ， 假 定 材料 均 匀 、 各 向同性 、 线 弹 性 ， 另 外 不考 虑材 料 屈服。其应 力 状况 E2 0 6 GPa， 0． 28 8， P 7 8 5 0 k g ／ m E 2 3 。 1 ． 3网格 划分 由于 只校 核 底 座 的应 力状 况 ， 可 以 放宽 其 他 部 件 的 网格要 求 ， 而不 会 影 响 分 析效 果 。底 座 采 用 修 正 的 1 0节点 四面体 二次 单元 C 3 D 1 0 M 分 网 ， 此单 元 分析精度比较 高， 而且适用于接触分析 ， 但是分析的 速度要慢一 些； 其 他部件 采用 4节 点 四面体单 元 c 3 D 4分 网， 此单元分析精度较低 ， 主要加快分析速 度 ] 。 网格 大小 设置 为 5 0 mm， 并 进行 局部 细化 。 2底座优化方案 将 支架底 座 内 、 外 主 筋 厚 度 由 4 0 m m 改 为 3 0 mm； 底 板厚 度 由 3 0 m m改 为 2 5 m m； 其 余部 分适 当 加 强 。改 进后 ， 底座 质量 由 l 2 ． 5 6 t 变 为 1 1 ． 4 2 t ， 减 小 9 ． 2 ％ 。 所减小 ， 但仍能够满足使用要求。 图 2改进前底座 V o n Mi s e s 应 力云图 图 3改进 后底 座 Vo n Mi s e s应 力 云 图 3 可 以采 用 类 似 的方 法 来 分 析 顶 梁 、 掩 护 梁 和前后 连杆 等部 件 。 综上所 述 ， 对所有 的结 构件 进行 优化 后 ， 减小 了 整 台支架 的质量 ， 不但 有利 于支 架 的井 下运 输 ， 也 可 以降 低支架 的生 产成 本 。 3 安全 系数 比较 参考文献 支 架 底座 和 垫块 接 触部 位 应 力 均 比较 大 ， 属 于 挤 压应 力 ， 一般 许 用 挤 压 应 力 是 许 用 应 力 的 1 ． 5～ 2 ． 0倍 ， 所 以此处 不予 考虑 ； 前 过 桥在 改 进前 后 应 力 变化很 小 图 2和 图 3 ， 安 全 系数 为 1 ． 3 5， 由于在 其 他工况 下其 应力 都 比较 小 ， 根据经 验 ， 在此 工况下 安 全 系数 在 1 ． 1 倍 即可 满足 使 用要 求 ； 外 主 筋在 柱 窝 附近应力最大， 改进后安全系数为 1 ． 7 8 ， 满足使用 要求 ； 内主筋在 前端 垫板上 端处应 力 最大 ， 改进后 安 全 系 数 为 1 ． 5 9 ； 柱 窝 附 近 应 力 也 比 较 大 ， 为 3 9 4 MP a ， 基 本和 外 主筋 一样 ， 保 持 内外 主筋 相 同材质 即 可 ； 底板改进后安全系数为 2 ． 5 ， 满足使用要求 。 4 结语 1 改 进后 ， 底 座 质量 由 1 2 ． 5 6 t 变为 1 1 ． 4 2 t ， 减 小 9 ． 2 ％ 。 2 改进后， 主筋、 底板和过桥 的安全系数均有 [ 1 ] 庄茁． A B A Q U S非 线性有 限元分析 与实例 [ M] ． 北 京 科学 出 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2] 王 国法 ， 徐 亚军 ， 任 怀伟 ， 等． 高端液 压支架 及先进制 造技 术 [ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 3 ] 吕根帅 ， 周玉乾 ， 李雪 伟． 显式 动态 分析在 液压支 架强度 分析 中的应用 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 1 ， 3 2 1 2 8 - 3 0 ． 责任 编辑 许 久峰 2 5 m m 他 m m 啦 m m m 他 也 m m m m m 州 埘 辫 黧瓣 “ 幅 “ ““ n 也“ “ “ 拈 曩 纛纛 置 吐吐眙∞ 吐观帕 舱∞ 北观蛇∞ ∞∞观位m mm 瓣 潍 勰躲 一 奠