ZY64002145型放顶煤液压支架的有限元分析.pdf

2 0 1 2年第 2 期 中州煤炭 总第 1 9 4 期 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 ， 河南 郑州4 5 0 0 0 7 摘要 在设计 Z Y 6 4 0 0 ／ 2 1 ／ 4 5型放 顶煤 液压 支架时 ， 利 用 S o l i d Wo r k s 结合 S i m u l a t i o n对该 支架进 行 三维建模 ， 并进行 受力分 析； 依据 国内制定 的最新 有关液压 支架 的试验标 准 ， 选 取 了 Z Y 6 4 0 0 ／ 2 1 ／ 4 5型放顶煤 液压支 架 整架分析 的多种危 险工 况之 下的一种进行计算机模 拟仿真； 通过对该 架模 拟仿真， 得 出了整个支 架的应力 和 变形分布 ， 也得 出了重要结构件 的应力分布 和模 拟状况。 关键词 Z Y 6 4 0 0 ／ 2 1 ／ 4 5型液压支架 ； 有限元 ； 模 拟仿 真 中图分类 号 T D 3 5 5 ． 4 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 2 O 2 0 0 1 1 0 3 Fi n i t e El e m e nt An a l y s i s O i l ZY6 4 0 0 ／ 2 1 ／ 4 5 S ub l e v e l Ca v i ng Hy dr a u l i c Su pp o r t L i u J i a n y i n g ， L i u J u n H e n a n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 7 ， C h i n a Abs t r ac t W h e n ZY6 40 0／ 21 ／ 45 s u b l e v e l c a v i n g h yd r a u l i c s u pp o r t i s d e s i g ne d， S o l i d W o r k s s o f t wa r e wa s u s e d c o mbi ne d wi t h S i mu l a t i o n t o ma ke t hr e e d i me n s i o n a l mo d e l a n d t o ma ke f o r c e a na l y s i s ．Ac c o r di n g t o t h e n e w h y d r a ul i c s u pp o r t t e s t s t a n d a r ds i n Ch i n a， t he c o rn pu t e r s i mu l a t i o n wa s ma de u nd e r a wo r k i ng c o nd i t i o n whi c h ha d b e e n s e l e c t e d i n ma ny d a n g e r o u s wo r k i n g c o nd i t i o ns o n t h e who l e s up po r t a na l y s i s o f ZY6 40 0 ／2 1 ／ 4 5 s ub l e v e l c a v i n g h y dr a ul i c s u pp o r t ．Th r o u g h a n a l y s i s a nd s i mul a t i o n t es t s， n o t o n l y t h e d i s t r i b ut i o n o f pr e s s u r e a nd de f o r ma t i o n o f t h e wh o l e s u pp o rt bu t a l s o t he s t r e s s d i s t r i b ut i o n a n d s i mu l a t i o n c o n di t i o n s we r e g o t a b o ut ZY6 40 0 ／21 ／ 45 s u bl e v e l c a v i n g h y dr a u l i c s up p o ． Key wor ds ZY6 40 0／ 21 ／ 45 t y p e h y dr a ul i c s up po r t ； f i ni t e e l e me nt ； a n a l og s i mu l a t i o n 随着液压支架试验标准的不断完善 ， 液压支架 强度 试验 越来 越 贴 近井 下 支 架 的 实 际 工况 ， 试 验 的 标准也越来越高 。 。目前我 国液压支架的强度试 验仍然主要是实际工程试验 ， 而且还存在诸多不足 ①样机试验要在制作 出样机后才能进行 ， 只能检验 设计 ， 不能在形成产 品 样机 之前 指导设计 ， 更 不 能提早发现产品设计缺陷 ； ②样机试验只能获得 少 数几个点的应力情况 ， 所得试验数据非常有限， 无法 全 面 了解 和 正确评 价 支 架 结 构 各 部 位 的强 度 ， 不 能 满足全部设计需要 ； ③ 液压支架 的强度试验耗 资耗 时较 大 ， 一般样 机 制造 需花 费 3 0万 ～4 0万元 ， 试 验 费约 2万元 ， 且要 占用生产周期 1个多月。 针对 液 压 支 架 试 验 现 状 ， 笔 者 利 用 S o l i d Wo r k s 结合 S i mu l a t i o n对 Z Y 6 4 0 0 ／ 2 1 ／ 4 5型放 顶煤液压 支 架 进 行三 维建 模 和空 间受 力 分 析 ， 从 而 可 在 一定 程 收稿 日期 2 0 1 1 0 92 7 作者 简介刘建英 1 9 7 3 一 ， 女 ， 山西大 同人 ， 硕士 ， 讲师 ， 2 0 0 5年毕 业 于辽宁工程技术大学 ， 主要从事机 械方面 的教学及研究工作 。 度 上代 替实 际工 程试 验 。 1 分 析类型及试验参数 本 文 对掩 护式 z Y 6 4 0 0 ／ 2 l ／ 4 5放 顶 煤液 压 支 架 进行 有 限元 分 析。液压 支 架检 验 按 有关 标 准 执 行 ， 如 MT 3 1 2 2 o 0 0 液压支架通用技术条件 。 强 度试 验是 模拟 井 下各 种 危 险 工况 顶梁 两 端 集 中 载荷和底座两端集 中载荷 、 顶梁扭转 和底座两端集 中载荷 、 顶梁偏载和底座两端集 中载荷 、 顶梁 中部集 中载荷和底座两端集中载荷、 底座两端集 中载荷 、 顶 梁 两端 集 中载 荷 和底 座扭 转 对 支 架 进 行 加 载 ， 是 对支架 的设计和制造质量检验的重要方式。由于篇 幅限制 ， 只对顶梁两端集 中载荷 和底座两端集 中载 荷 工况 进行 支架 主体 结构 件 的强度试 验 。 根据 MT 3 1 2 2 0 0 0对液压支架进行有关 强度 试验的要求 ， 对顶梁两端集中载荷和底座两端集 中 载荷试验时 ， 支架高度为支架 的最大高度减去行程 的 1 ／ 3 。因此 ， 在对顶梁两端集 中载荷 和底座 两端 集 中载荷进行 分析 时， 根据 Z Y 6 4 0 0 ／ 2 1 ／ 4 5型掩 护 ． 1 1 2 0 1 2年第2 期 中州煤炭 总第 1 9 4期 式液压支架参数 表 1 ， 可算 出试 验支架高 3 8 0 0 m m， 每次试验均压 5 ra i n ， 每次换 1次垫块位置 ， 加 载 3次。在顶梁两端集中载荷和底座两端集中载荷 条件下， 压力为额定压力的 1 ． 2倍 ， 即 7 6 8 0 k N。 表 1 Z Y 6 4 0 0 ／ 2 1 ／ 4 5型掩护式液压支 架参数 项 目 参数 项 目 参数 高度／ m m 2 1 0 0 4 5 0 0 中心距／ ram 1 5 0 0 宽度／ m m 1 4 2 01 5 9 0 初撑力／ k N 5 0 6 6 对底板比压／ M P a 0 ． 5～1 ． 9 工作阻力／ k N 6 4 0 0 支护强度／ M P a 0 ． 9 8一I ． 0 3 泵站压力／ MP a 3 1 ． 5 2 有 限元模拟分 析过程 采用 S o l i d Wo r k s 建模模块构建 了支架三维实体 模型 ， 同时 以 S o l i d Wo r k s S i mu l a t i o n为依托 ， 结合静 强度分析 、 运动学仿 真、 动力学分析等软件模块 ， 组 成 1 个软件集成系统作为液压支架设计系统。对该 设计系统而言 ， 建模软件是 以支撑平 台的形式存在 的 ， 各功能软件并行于该建模平台之上。 2 ． 1 创建 特征模 型 液压 支架 三维 实体模 型 的建立 应采 用 自上 而下 的方 法 ， 即先 在 S o l i d Wo r k s 软 件 的零 件 环 境 中 通过 特征造型来生成 Z Y 6 4 0 0 ／ 2 1 ／ 4 5放顶煤液压支架的 所有部件模型， 然后在装配环境 中按各个装配关系 逐 个进行 支架 部 件 的装 配 。重 要 部件 模 型 这 里 不 再赘述 ， 总装模 型如 图 1所示 。 图 1 液压 支架总装 三维模 型 2 ． 2定 义材 料属性 零部件材料为 Q 4 6 5 ， 弹性模量 2 1 0 0 0 0 N ／ m m ， 泊 松比0 ． 3 ， 抗剪模量3 1 8 ． 9 N ／ m m ， 密度 7 8 5 0 k g ／ m ， 张 力强度 3 0 N ／ m m ， 屈服强度 4 6 5 N ／ ra m 。 2 ． 3 划分网格 整机采用四面体实体 网格单元进行 网格划分 ， 网格划分后 ， 最大单元为 6 0 mm 6 0 mm， 最小单元 为 1 2 m i l l1 2 mm。网格 品质高 ， 节 总数 2 5 6 3 9 0 ． 1 2 ． 个 ， 单元 总数 1 3 5 4 1 6个 。 2 ． 4定 义边界 条件 对生成的有限元模型定义载荷和约束。由于实 际受载情况复杂 ， 所以为了简化起见 ， 对受载块进行 固定 。对底 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 ， 从而减少计算量。零件之间采 用无穿 透接 触 。 这里未将试验 台对垫块的作用力当作外力 ， 而 将垫块作为该煤液压支架整个结构 的边 界约束条 件 。就 该支 架 的 内加 载实 验 而 言 ， 外 载 荷 只有 立 柱 对顶 梁和底 座柱 窝所 加 的载荷 。在该 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 。 2 ． 5 求解 根 据分析 类 型 ， 选择 F F E P l u s s 求 解器计 算 。 2 ． 6后 处理 对 顶梁 两端集 中载荷 和 底 座两 端 集 中载荷 调 整支架高度 3 8 0 0 mm， 加载荷 7 6 8 0 k N 这一工况 结果进 行分 析 ， 分 析结果 可 以通过 应力 云 图 、 位移 云 图清楚 地表 达 出来 图 2 一 图 5 。 图 2整 架 位 移 云 图 图 3整 架 应 力 云 图 URES ／ mm 纛 1 98 0e 0 0 0 l 78 2e O 】 o 1 58 4 e 00 0 l 38 【 瑚 l l 8 8e o 00 9 8 99 e O01 7 91 9e_ l x 1 l ． ‰ 93 9 e - 00 - 0 0 m ． 98 0 e - 6 0 。 1 M i s e s ／ N． m 基55 6l 85 0 43 8 6 5 2 68 4 7 0 9 4 8 2 2 4 0 4 2 3 8 5 5 0 7 2 0 ’ 3 7676l 92 00 32 9 6 68 76 8 0 2 82 57 5 61 6 0 2 35 48 248 0 0 l 8 8 3 8 9 3 2 8 0 醯 9 41 4 1 220 93 6 0 21 74 6 0．0 I 7 1 0 97 98 6 。 2 0 1 2年第 2期 刘建英 。 等 Z Y 6 4 0 0 ／ 2 1 ／ 4 5型放顶煤液压支架的有限元分析 总第 1 9 4期 图 4底座应力分布 图 5顶梁应力分布 从有限元分析云图结果可 以看出， 在顶梁两端 集 中载荷 和 底座 两端 集 中载 荷 的条 件 下 ， 底 座 和 顶 梁 中部 受 的应 力 最 大 ， 约 4 2 0 MP a ， 但 未 超 过 Q 4 6 5 的屈服 强度 4 6 0 MP a 。 3 结论 本 文对 反 映实 际结 构 的 Z Y 6 4 0 0 ／ 2 1 ／ 4 5型 放 顶 煤液压支架进行了三维建模及受力分析； 依据最新 有 关液 压 支 架 的 试 验 标 准 ， 选 取 了 Z Y 6 4 0 0 ／ 2 1 ／ 4 5 型放顶煤液压支架整架分析的多种危险工况之下 的 其 中一种进行 模拟仿 真， 为 Z Y 6 4 0 0 ／ 2 1 ／ 4 5型 放顶 煤 液压 支架 的设 计提 供 了理论 依据 。 在实际的液压支架加载试验中， 可以将此模拟 试验的数据作为参考 ， 在应力 比较 大的部位安置应 变 片 ， 从而 更有 目的性地 进行 试验 。 参 考 文献 中华人民共 和 国煤 炭行业 标准． MT 3 1 2 2 O O 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 ． 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 ． 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 3 1 8 - 2 0 ． 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 ． 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 ， 2 0 0 3 5 7 8 - 8 1 ． 张立荣． 三维 C AD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 ． 梁超． 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 ． 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 刘欢欢 上 接 第 1 0页 但是 考 虑 到在 初 始 阶段 巷 道 内 的 污染物质并未全部溶解等因素 ， 仍 然不能忽视此污 染 。 3 模拟 结果 除 了反 映 研究 区域 内地下 水 污 染 趋 势外 ， 也 反 映 出地 下 水 污 染 后 难 以 治 理 的特 点 。 即虽然一定范围内污染物浓度较低 ， 但经过长时 间 抽水后 ， 采煤巷道涌水处垂 向渗透 系数将会发生改 变 ， 可 能会 造成其 他 含水层 的污染 。实 际观 测 中 ， 还 应 该关 注研 究 区域 内含 水 层 被 抽 水 后 产 生 “ 越 流 ” 补给后带来的污染。 参 考 文献 [ 1 ]武强 ， 董东林 ， 武钢， 等． 水资源评价 的可视化专业 软件 V i s u a l Mo d fl o w 与应用潜 力 [ J ] ． 水 文地 质工 程地 质 ， 1 9 9 9 ， 2 6 5 2 l _ 2 3． 薛禹群 ， 朱学愚 ， 吴吉春 ， 等． 地下水动力学 [ M] ． 北京 地 质出 版社 ， 2 0 0 0 ． 金咪 ， 耿庆 文． V i s u a l MO D F L O W 在 淄博高新 区地下 水流 场及 水质模拟中的应用[ J ] ． 华北水利水 电学院学报 ， 2 0 0 3， 2 4 3 5 6- 5 9． La u r a K． L a u t z， Do n a l d I ． S i e g e 1 ． Mo d e l i n g s u r f a c e a n d g r o u n d wa t e r mi x i n g i n t h e h y p o r h e i e z o n e u s i n g MO DF L O W a n d M T 3 D[ J ] ． A d v a n c e s i n Wa t e r Re s o u r c e s ， 2 0 0 6 ， 2 9 1 1 1 6 1 8 - 1 6 3 3 ． X．Ma o， H． Pr o mme r ， D． A． Ba r r y， e t a 1 ． Th r e e - d i me n s i o n a l mo d e l f o r mu l t i - c o mp o n e n t r e a c t i v e t r a n s p o r t w i t h v a r i a b l e d e n s i t y g r o u n d - w a t e r fl o w[ J ] ．E n v i r o n m e n t a l Mo d e l l i n g＆ S o f t w a r e ， 2 0 0 6 ， 2 1 5 6 1 5 - 6 2 8 ． 责任编辑 梁郁鑫 1 3 i j ] ] ] ] ] ] 心