ZF7200型放顶煤液压支架的有限元分析.pdf

第 1 7卷 第 1期 总第 1 0 4期 2 0 1 2年 2月 煤 矿 开 采 Co a l mi n i n g Te c h n o l o g y V o 1 ． 1 7 N o ． 1 S e r i e s N o ． 1 0 4 F e br ua r y 2 01 2 Z F 7 2 0 0型放 顶煤液压支架的有 限元分析 刘建英，刘 军 河南工程学院 机械工程系，河南 郑州 4 5 0 0 0 7 [ 摘要] 依据国内最新制定的液压支架试验标准，选取Z F 7 2 0 0型放顶煤液压支架，分析 了其 整架有限元受力情况，通过对该架模拟仿真，不仅得出整个 Z F 7 2 0 0型放顶煤液压支架的应力和变形 分布，而且得出重要结构件的应力分布状况，为放顶煤液压支架的设计提供理论依据。 [ 关键词] 液压支架；有限元；分析 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 1 [ 文献标识码]B [ 文章编号]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 2 0 1 0 0 7 2 0 3 Fi ni t e El e me n t Ana l y s i s o f ZF 72 0 0 To p- c o a l Ca v i ng Po we r e d S u pp o r t 针对 液压支 架试 验 的现 状 ，提 出利 用 S o l i d Wo r k s 结合 S i m u l a t i o n对 Z F 7 2 0 0液压支架进行三维 建模和空问受力分析 ，从 而为设计 Z F 7 2 0 0液压支 架及其重要结构件提供参考信息 ，以解决样机试验 中存在的问题 。 1制定分析方案 1 ． 1 工程实际问题 对 Z F 7 2 0 0放顶煤 液压支 架进行 有 限元分 析 ， 支架具体参数如表 l 。 表 1 Z F 7 2 0 0型掩护式液压支 架参数 项 目 高度／ mm 中心距／ mm 宽度／ mm 初撑力／ k N 工作阻力／ k N 支护强度／ MP a 底板 比压／ MP a 前端 比压／ MP a 采高／ m 适 合煤层倾角／ 。 1 ． 2 确定分析类型 液压支架型式试验按有关标准执行 J ，型式 试验是模拟井下各种危险工况对支架进行加载 ，是 检验支架的设计和制造质量的重要方式。 本文只对顶 梁扭转和底座 两端集 中载荷 简 称工况 1 、顶梁偏 载和底座 两端集 中载荷 简称 工况 2 进行支架主体结构件的强度分析。 根据我 国最新 制定 的 液压技术 通用技术条 件 MT 3 1 2 - 2 0 0 0 对液压支架进行有关 强度试 验。工况 1 试验时，支架高度为支架 的最大高度减 去行程的 1 ／ 3 ，根据 Z F 7 2 0 0型掩护 式液压支架 的 参数可算 出其试验支架高度为 2 8 0 0 mm；工 况 2试 验时，支架高度 为支架最低 高度加 3 0 0 m m，支架 试验高度为 2 1 0 0 m m。工况 1条件下试 验压力为额 定压力的 1 ． 2倍 ，即 8 6 4 0 k N；工况 2条件下试验 压力为额定压力的 1 ． 1倍 ，即 7 9 2 0 k N。 1 ． 3分析软件选取 采用 S o l i d Wo r k s构建 支架 三维 实体 模 型 ，以 S o l i d Wo r k s S i mu l a t i o n对支架进行静强度分析。 2 Z F 7 2 0 0型放顶煤液压支架的有限元分析 2 ． 1 创建特征模型 S o l i d Wo r k s 软件 的零件环境 中通过特征造型生 成支架的所有部件模型 ，然后在装配环境 中进行装 配。总装模型如图 1 所示 。 图1 液压支架三维实体模型 2 ． 2 定义材料属性 零部件 的材料为 Q 4 6 5，其属性如表 2所示 。 2 ． 3 划分网格 整机网格划分采用四面体实体网格单元，结果 [ 收稿 日期 ]2 0 1 1 0 9 1 9 [ 作者简介]刘建英 1 9 7 3 一 ，女，山西大同人，讲师，在读博士生，主要从事机械方面的教学和研究。 7 2 } 昌 跚州 肿 、 ， 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘建英等Z F 7 2 0 0型放顶煤液压支架的有限元分析 2 0 1 2年第1期 表 2 Q 4 6 5材料明细 属性 数值 弹性模量／ N l n m 泊松 比 抗剪模量／ N mm 质量密度／ k g mm 张力强度／ N mi ll 屈 服强度／ N Il l m 热导率／ W IT I K 比热／ J k g K 如图 2所示。网格化后 ，最大单元大小 6 0 ra m，最 小单元大小 1 2 ra m，节 总数 2 5 6 3 9 0个 ，单元 总数 1 3 5 4 1 6个。 图2液压 支架整机 网格化 2 ． 4 定义边界条件 由于实际受载情况复杂 ，为了简化起见 ，对垫 块进行固定。底座和前连杆、底座和后连杆 、掩护 梁和前连杆 、掩护梁和后连杆 、掩护梁和顶梁均采 用销钉约束来代替实际的销 ，以减少计算量 ，零件 之间采用无穿透接触。 在计算中不把试验台对垫块的作用力当作外力 来考虑 ，而是将垫块作为 Z F 7 2 0 0放顶煤液压支架 整个结构 的边界约束条件来处理。对于 Z F 7 2 0 0放 顶煤液压支架 的内加载实验来说 ，外载荷只有立柱 对顶梁和底座柱窝所加的载荷 。对于 Z F 7 2 0 0放顶 煤液压支架主结构 的应力分析中，不考虑立柱和柱 窝的局部应力 ，因此 ，假定立柱传递给柱窝的外力 均匀作用于柱窝表面 卜 。 2 ． 5 求解 根据分析类型 ，本分析 选择 F F E P l u s s求解器 进行计算 。 2 ． 6后处理 工况 l 有限元分析应力云图、位移云 图及顶梁 应力分布 ，见图 3～图 5 。 从有限元分析的云图结果可 以看出 ，在工况 1 下 ，应力集中在顶梁和底座 的中部 ，与实际受力情 况相符。用应力探测器探测顶梁 主要受载部位应力 图3 工况 1下整架应力 图4 工况 1下整架位移 u RE s a n n 蕊 5 2 1 9 0g 0 82 9 7 0 0 0 73 75 0 0 0 0 6s ． 4 5 3 c 0 g 0 誓 盔 I l 9_珈． 2 1 0}o 9 C 0 ∞ 01 y o n 0 q ／ re“ 2 1 ． 1 9 9 , 4 7 7 , 1 2 00 1 , O ／ 9 , 53 0, 1 1 2． 0 9 59 ， 58 3 ， 1 0 40 。署 嚣 0 器 曩 薹 I 图 5 工况 1下顶梁应力分布 在允许 的范围之 内，由图示可以看出最大应力 出现 在加载块附近 ，这是 由于试验加 载引起 的应力集 中，并且远离主要 受载 区，所以不予考虑 ，因此 ， 在本工况下液压支架是安全的。 工况 2有 限元分析应力云图、位移云图及顶梁 应力分布 ，见图 6一图 8 。 UR E S t ma 焉 l _ 00 5 00 1 9 3 4 81 0 0 0≥ ； 盔 黜 4 5 5 8 4C 4 Ⅷ 0 0 虢 I } 品 瑟 图 6 工况 2下整架应力 从有 限元分析的云图结果可 以看出 ，在工况 2 73 2 _ O 蔼吼 一 - 鲑0落器 零 篮 ■ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 1 0 4期 煤 矿 开 采 2 0 1 2年 第 1期 图 7 工况 2下整 架位 移 Ⅶ nM i ％ O 纛 。 8 6 3 ， 1 3 9 , 7 7 6 ．0 -7 7 6 , g 2 9 , 3 7 6 ． 0 鏊 搿 茹 I36 , 1 4 5 0 呻 n M i ＆ 瞄 纛 806 3 60 , 96 00 藩 需 萋 嚣 釜 l 器 一 24 ,4 01 6 图 8 工况 2下顶梁 应力 分布 下 ，顶梁和底座的变形较大 ，与实际工况受力变形 一 致 。用应力探测器探测顶梁主要受载部位应力在 允许的范 围之 内，由图示可以看出最大应力出现在 加载块 附近 ，这是 由于试验加载 引起的应力集 中， 并且远离主要受载区，所以不予考虑 ，因此 ，在本 工况下液压支架是安全 的。 3结论 通过本文的研究 ，解决 了 Z F 7 2 0 0型放顶煤液 压支架 的三维建模与静强度 分析，得 出 Z F 7 2 0 0型 放顶煤液压支架的应力、变形情况 ，以及重要结构 件的应力分布情况 ，为放顶煤液压支架的设计提供 理论依据 。 [ 参考文献】 [ 1 ] 中华人 民共和 国煤炭行业标 准 ． M T 3 1 2 2 0 0 0液压支架 通用技 术条件 [ s ]．北京 中国标准出版社 ，2 0 0 0 ． [ 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 ．2 0 0 6 ． [ 3 ]赵衡 山 ．国 内液压 支架试 验规 范浅 析 [ J ]．煤 炭科学 技术 ， 1 9 9 7，2 5 3 1 8 - 2 0 ． [ 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 ，2 0 0 1 ． [ 5 ]王国法，徐 亚军，等 ．液压 支架 三 维建模 及 其 运动仿 真 [ J ]．煤炭科 学技术 ，2 0 0 3 ，3 1 5 7 8 8 1 ． [ 6 ]张立荣 ．三维 C A D技术在 机械设 计 中的应 用 [ J ]．煤 炭 技 术 ，2 0 1 1 2 1 6 1 8 ． [ 7 ]粱超 ．基于 S o l i d Wo r k s 的液压支架 四连杆机构变参数化仿真 分析 [ J ]．矿山机 械，2 0 1 1 ，3 9 3 1 8 2 0 ． [ 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 ，2 0 0 0，2 8 5 2 5 - 2 6 ． [ 责任 编辑 徐亚军] 上接 4页 元多判据综合模型 ，对边坡 的稳定性进行了预测 ， 获得了该边坡的判据指标值为v 1 1 1 2 0 ra m， 2 ． 6 4 m m ／ d， 9 0 。 ， 1 1 mm， 1 3 m m。根 据式 1 得出模糊 物元 ，通过层次分析法确定各 判据 的权 重 为 l r／ 0 ． 3 9 1 4 ，0 ． 1 6 4 2 ，0 ． 3 1 8 1 ， 0 ． 0 8 1 6 ，0 ． 0 4 4 6 。对该模糊物元进行标 准化和差 平方 ，最终得 出各稳定性等级分界值和预测区域 的 贴近度值 如表 2 。 表 2稳定性等级分界值和预测 区域 的贴近 度值 经过欧式贴 近度值 的排序 ，可以发现预测区域 的贴近度值在 I、 Ⅱ之间 ，所以可以确定该露天煤 矿边坡工作帮的稳定性等级为较稳定。 4结论 1 结合模糊物元 理论 ，将露 天矿边坡稳 定 性预测 的各单一判据进行信息融合 ，建立了露天矿 7 4 边坡多判据综合预报模型。 2 应用建立 的预报模 型 ，对 实际工程 边坡 的稳定性进行 了预测 ，得 出 了边坡处 于较稳 定状 态 ，与边坡的实际状态相符 。 3 实例证明该预测模型有较好的可靠性和 实用价值 。 [ 参考文献] [ 1 ]张斌 ，雍歧东 ，肖芳淳 ．模糊物元分析 [ M]．北京 石 油 工业出版社 ， 1 9 9 7 ． [ 2 ]李凡月 ，刘文生 ．模糊物 元模 型在采 煤沉 陷区稳 定性综 合评 判中的应用 [ J ]． 煤炭学报，2 0 1 1 ， 3 6 s 1 7 9 8 2 ． [ 3 ]李秀珍 ，许强 ．滑 坡预报 模型 和判据 研究 [ J ]．灾 害学 ， 2 0 0 3 ，1 8 4 7 1 7 8 ． [ 4 ]周雪亭．露天矿边坡稳定性影响因素的灰关联分析 f J ]， 安 徽冶金 科技职业学院学报 ，2 0 0 5 ，1 5 2 6 7 - 6 9 ． [ 5]王文忠 ，冉启 发，孙世 国 ，等 ．露天边 坡与 山体边 坡复 合体 稳定性 分析 [ M]．北京 冶金工业 出版社 ，2 0 0 1 ． [ 6]孙树海 ，曹兰柱 ，张立新 ．露天 矿边坡 稳定性 的模 糊综 合评 判 [ J ]． 辽宁工程技术大学学报，2 0 0 7 ， 2 6 2 1 7 7 - 1 7 9 ． [ 责任编辑 蓝航 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m