液压支架推移杆的力学分析和优化设计.pdf

第 1 5卷 第3期 总第 9 4期 2 0 1 0年 6月 煤 矿 开 采 Co a l mi ni n g Te c h no l o g y V o 1 ． 1 5 N o ． 3 S e ri e s N o ． 9 4 J u n e 2 01 0 液压支架推移杆 的力学分析和优化设计 李瑞杰，郭武增 ，杨元凯 郑州煤矿机械集团股 份有 限公司 ，河南 郑州 4 5 0 0 1 3 [ 摘要] 对推移杆进行力学分析和强度分析，采用合理的简化，尽可能减少优化设计中函数 变量个数，得出结论并进行 了设计优化验证，使推移杆截面最小化而承受载荷最大化，保证了井下高 产高效工作面液压支架推移杆的可靠性，实现了材料的优化选取。 [ 关键词】 推移杆；液压支架；力学分析；优化设计 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 1 [ 文献标识码]A [ 文章编号]1 0 0 6 -6 2 2 5 2 o l o 0 3 - 0 0 8 2 - 0 3 M e c h a ni c s Ana l y s i s a nd Opt i mi z e d De s i g n o f Pr o c e s s - o r i e n t e d Ba r i n Po we r e d S u pp o r t L I R u i - j i e，GU0 Wu z e n g。Y ANG Yu a n k a i Z h e n g z h o u C o a l Ma c h i n e r y G r o u p C o ． ，L t d ，Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 3 ，C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r ma d e me c h a n i c a l a n d s t r e n g t h a n aly s i s o n p r o c e s s - o rie n t e d b a r a n d u l t i ma t e l y r e d u c e d v a r i a b l e n u mb e r i n o p t i - mi z a t i o n d e s i g n b y r a t i o n a l s i mp l i f i c a t i o n ．Op t i mi z e d r e s u l t ma d e t h e C R O S S s e c t i o n o f p r o c e s s o ri e n t e d b a r mi n i mu m a n d b e a r i n g l o a d ma x i mu m ，w h i c h e n s u r e d s t a b i l i t y o f p r o c e s s o r i e n t e d b a r o f p o w e r e d s u p p o f o r mi n i n g f a c e w i t h h i g h p r o d u c t i o n a n d h i g h e ff i c i e n c y a n d r e a l i z e d o p t i mi z e d ma t e r i al s e l e c t i o n ． Ke y wo r d s p roc e s s o rie nt e d ba r；po we r e d s up p o ；me c h a n i c a l a n aly s i s；o p t i mi z a t i o n de s i gn ． 液压支架推移机构的受力主要包括推移千斤顶 的拉压力 、抬底千斤顶的抬底力和刮板输送机下滑 所引起的侧向力，以上 3 种外力作用于不同方向。 推移机构的主要受力部件是推移杆 ，推移杆在井下 复杂地质条件下很难与工作面底板平面接触 ，大部 分工况是受到前 、后约束而中部悬空 ，受力工况非 常复杂。 1 推移杆力学模型及强度分析 推移杆受力如图 1 。 图 1 推移杆受力 推移杆在井下受 ， ， 三种力同时作用 的几率极小 ，因为拉架状态下推移杆前端导 向板未 进入底座 内主筋限位 ，其推移杆受侧向力较小 ，仅 限于移架偏移所受摩擦力。静载荷分析时 ，由于推 溜力远小于拉架力，不需强度校核 ，只考虑拉架力 即可，拉架状态推移杆受力最大。根据推移杆使用 工况 ，在拉架状 态下 ，取推移杆前端 为固定 铰支 座，其余约束全部为活动铰支座。 目前推移杆设计结构普遍为二箱型结构件，见 图 2 、图 3 ，大部分推移杆通常为等截面，一小部 分在推移杆前端或后端截面变小 ，但为等强度设计 型式 y 最J 4 A ‘ A 5 A2 A B5 ． 图2推移杆截 面一 推移杆截面分别 由面积为 A ，A ，A ，A ，A 五块板组成 ，板 A 除了承受弯 曲和拉压外 ，主要 是增加抬底时板 的承载刚性 。 目前国内外推移 杆设计时 ，同一截面普遍采用 A A ，A A ， 即两立板的厚度相同，上、下腹板厚度相同， 但布 置结构型式有 2种 。 1 ． 1 推 移杆 强度 分析 [ 收稿 日期]2 0 1 0 - 0 2 2 8 [ 作者简介] 李瑞杰 1 9 7 1 ～ ，女 ，河南郑州人 ，工程师 ，主要从事煤矿机械设计研究。 8 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 李瑞杰 等液压 支架推移杆 的力 学分 析和优化设计 2 0 1 0年第 3期 6 2 A3 6 l 占 ． Ai A 5 A 2 N A4 B5 图 3推 移 杆 截 面 二 1 ． 1 ． 1 拉 架状 态推 移杆 受拉 应 力 推移杆纯拉力 F 4 F 4 c o s 4 式 中， 为推移千斤顶的拉架力 ； 为推移千斤顶 与水平推 移杆的夹角 ， 为变值 ，取值为 36 。 ， 计算时取实际最大值 。 推移杆截面一截面积 A2 H 2 6 12 B 52 3 1 6 2 一2 3 2 6 3 推移杆截面二截面积 A A2 B 5 22 ／ 4 22 6 2 6 l H 22 6 2 6 3 推移杆拉应力为 0- 竿 1 l 式 中， 0- 为推移杆纯受拉状态拉应力。 1 ． 1 ． 2拉架状态推移杆抬底纯受弯曲应力 推移杆长度 1 ／ 2处弯距最大 ，对 X轴截面一惯 性距 J 1 3 1 H 22 3 6 一 2 6 1 ] B 5 2 3 H 2 6 2 6 2 对 轴截面二惯性距 J 。 1 ---[ ／ -／ 22 6 2 1 一 2 6 2 6 3 B 5 ] 一 6 B 6 推移杆的最大弯距 长度 1 ／ 2处 M I {L F 3 推移杆上下表面最大弯应力 M w l H2 0 “2 2 ■ ， 推移杆长度 1 ／ 2处剪应力 7 3 A 。 J 1 ． 1 ． 3推溜状态推移杆全伸时侧 向力纯受弯应力 当推移杆前 端作用 F 力 时，推移杆前端距 抬 底导轨前沿距离 处所受弯距最大 ，由于抬底导 轨前沿距中心线较近取L ￡。 对 l ， 轴截面一惯性距 ．， [ 一 2 6 3 6 如 一 2 62 6 3 6 1 3 2 6 ．， v 言 [ s 一 z 啊 0 一 z 1 -1 2 ] 6 B 一 ， 对 】 ， 轴截面二惯性距 J 古 [ 曰 6 ； 一 2 6 一 2 6 ] 一 2 6 B 5 6 6 推移杆最大弯距近似值 长度 1 ／ 2处 M L F 2 推移杆左 『 J lJ 面最大弯应力近似值 0“ 3 M 2 B 5 4 _ 一 斗 如前面所述 ，推移机构推移杆伸出全行程侧 向 力很小 ，目前 国外标 准移架侧 向力 只按 1 0 0 k N考 虑 ，如果考虑推移杆 全伸 出时侧 向力为 推移力 的 1 ／ 2时 ，加在移架力系中校核推移杆强度是不合理 的。对推移机构强 度校核 ，分开工况校 核是合理 的 ，2种工况分别满足强度要求即可 。 1 推移装置拉架状态推移杆等效应力 拉架状态下可不考虑推移杆的侧向力 ，如果考 虑 ，因侧 向力 F 较小 ，取 1 0 0 k N。 推移杆截面最大拉应力为 0- 10- 20- 3 式中 ， 0- 为侧向力 1 0 0 k N时的拉压应力 。 则推移杆截面尖角处 的等效最大应力为 √ 1 2 3 7 I 推移杆安全系数 n 皿 5 2 推移装置全 伸出受 1 ／ 2推溜力时推移杆 应力 推移杆安全系数 n ， 6 式 5 ， 6 中，[ ]为材料 的许用屈服应 力。 目前 所 选 板 材 分 别 为 Q 3 4 5 ，Q 4 6 O，Q 5 5 O ， Q 6 9 0 ，Q 8 9 O 。对高产高效工作面大工作阻力大配 套支架 ，推移杆选材普遍为 Q 6 9 O和 Q 8 9 O 。[ ]取 8 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第9 4期 煤 矿 开采 2 0 1 0年第3期 6 9 0 MP a和 8 9 0 MP a 。 为了保证推移杆的可靠性， 。 取值 1 ． 4～ 2 ，， z 取值大于 2 。根据 目前推移机构与底座配合结构及 井下使用功能 ，推移杆伸出状态不可能受到 1 ／ 2推 溜力 ，推移杆优化设计时可以不考虑此工况，只要 满足 n ， 的安全系数，推移杆设计是安全的。 2 推移杆的优化设计 通过以上力学分析和强度分析 ，采用合理地简 化，尽可能地减少优化设计 中函数变量个数。液压 支架推移机构推移杆设计过程中， 从试验标准中 取值 ，1 0 0 k N至 1 ／ 2的推溜力 ，优化设计 中取 F 1 0 0k N。 根据支架重量和底座扎底情况给定 ，目前抬 底 千 斤 顶 常 用 的缸 径 为 西1 1 0 ra m， 1 2 5 ra m 和 1 4 0 mm，其额 定抬 底力 分别 取 2 9 9 k N，3 8 6 k N， 48 4k N。 根据支架重量和底板状况给定 ，一般给定拉 架力是支架重量的 2～3倍 。目前推移千斤顶常用 的 缸 径 分 别 为 1 4 0 m m， 1 5 0 m m， 1 6 0 m r n ， 1 8 0 m m， 2 0 0 ra m，其额定拉架力分别取 4 8 4 k N， 5 5 6 k N，6 3 3 k N，8 0 1 k N，9 8 9 k N。 根据推移千斤顶的布置取值 ， 通常在 3～ 6 。 内取值 ，优化设计时可取其大值 。 B 在推移机构设计时给定 ，与支架中心距 、立 柱缸径有关 ，在支架 中心距 1 ． 7 5 m时，取值在 1 8 0 25 0 mm。 ￡与支架配套 、推移步距 、推移千斤顶布置有 关 ，设计时推移杆长度已给定。 优化设计时 ，推移杆高度 为 目标 函数 ，其 设计变量分别为 。 ， ， 和 [ ] 。其 中， 一 般取值 1 6 ra m或 2 0 ram，可作为给定值 。 因此 ，设计变量 [ ，6 ，[ ] ] 高产高效液压支架推移杆设计 ，当 H 2 1 5 0 ra m 时， [ ]取 8 9 0 M P a ；当 ≥1 5 0 ra m 时， [ ] 取 6 9 0 M P a 或 8 9 0 M P a 。 标准提供的板材厚度是固定的，推移机构推杆 设计时所选板材 取值 为 1 6 ra m，2 0 ra m，2 5 ra m， 3 0 m m； 2 取 值 为 1 2 m m，1 6 ra m，2 0 mm，2 5 m m， 3 0 m m。确定 了6 ， 8 的取值范 围，求取 目标 函数 。 n ， Mi “ 7 凡 1 其中，1 ． 4≤ C≤2 3 Z Y 1 0 8 0 0 ／ 2 8 ／ 6 3推移杆强度分析及优化验证 Z Y 1 0 8 0 0 ／ 2 8 ／ 6 3支架工作阻力 1 0 8 0 0 k N，最大 8 4 采高 6 ． 3 m，支架 中心距 1 ． 7 5 m，支架重量 4 2 t 。输 送机分别为艾柯夫 S L 1 0 0 0和 j o y A F C - 4 8 。 参 数 取 值 为F 2 1 0 0 k N 和 2 5 1 k N； 48 5 k N ； O t 4 5。； F4 9 8 5k N； B5 1 8 0mm ； 3 3 6 7 mm； 6 3 2 0 ra m；[ ] 8 9 0 MP a ； 6 1 2 5 m m； ， 2 5r am H2 1 7 0ramo 计算结果如下 推移杆截面积 S 1 4 1 5 0 ra m ； 推移杆纯拉应力 o r 6 9 ． 6 MP a ； 推移杆截面对 轴惯性距 J 6 3 1 6 3 3 3 3 mm ； 推移杆受抬底力上下表面弯应力 25 4 8MPa； 推移杆受抬底力状态时的切应力Jr 3 4 M P a ； 推移杆对 Y轴截面惯性距 J y 6 0 6 5 8 0 0 0 m m ； 推移杆受 I ／ 2推溜力的侧 向力时的最大应力 o r 33 1 3 MPa； 推移 杆受 1 0 0 k N 的侧 向力 最 大应 力 ， 1 2 ． 4MP a； 推移杆拉架时 ，推移抬底同时作用最大正应力 为 or 1 or 2 6 1 7 ． 6 M P a ； 推移杆拉架状态 的最大等效应力 1 0 0 k N 时 ， or 5 3 7 ． 4 MP a ； 推移杆拉架状态安全系数 1 ． 4 1 ； 推移杆全伸出承载 1 ／ 2推溜力的安全系数 n 2 ， 8 4。 根据以上计算分析 ，Z Y 1 0 8 0 0 ／ 2 8 ／ 6 3支架推移 杆优化合理 ，倒装整体推杆结构性能可靠。 4 结束语 通过分析 、研究和优化设计 ，使推移杆截面最 小化 ，而承受载荷最大化 ，在保证井下高产高效工 作面液压支架推移杆可靠性前提下，实现材料的优 化选取 。 [ 参考文献 ] [ 1 ]王 国法 ，等 ．液压支架技术 [ M]．北 京煤 炭工业 出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 2 ]赵宏珠 ． 综采面矿压与液压支架设计 [ M]．徐 州中国矿业 学院出版社 ，1 9 8 7 ． [ 3 ]朱诗顺 ．液压支架结 构与材料 优化设计 的理论 、方法 及应用 的研究 [ D]．北京 中国矿业大学 北京 ，1 9 9 4 ． [ 4]韩大中 ．液压支架空间力 系优化设计及 C A D [ M]．西安 西 安矿业学 院出版社 ，1 9 9 6 ． [ 5 ]MT ／ T 1 6 9 1 9 9 6液压 支架型式与参数 [ s ]．北京 中国标准 出版社 ，1 9 9 7 ． [ 责任编辑 张银亮] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m