基于UG的液压支架掩护梁有限元分析.pdf

第 2期 总第 1 7 7期 2 0 1 3年 4月 机 械 工 程 与自 动 化 M E CHANI CAL ENGI NEE RI NG AUT0MATI N NO． 2 Ap f ． 文章编号 1 6 7 2 - 6 4 l 3 2 O 1 3 O 2 0 0 2 7 0 3 基于 UG 的液压支架掩护梁有限元分析 李翠勤，刘混举 太原理工大学 机械工 程学院， 山西 太原0 3 0 0 2 4 摘 要进行 了液压支 架掩 护梁的受力分析 ，利用 UG建立 了掩护梁的三 维模 型及 有 限元力 学模 型。通过 UG 自带的高级仿真软件 ，分 析得 到 了掩护梁的应力和位移分布 。计算结果可用于修正设计， 以提 高掩 护梁结构 的可靠性，为液压支 架部件的结构优化奠定 了基础。 关键词 液压支架；掩 护梁；有限元分析 中图分类号 T D3 5 5 ． 4 文献标识码 A 0 引言 液压支架能够可靠而有效地支撑和控制工作面的 顶板 ， 隔离采空区， 防止矸石进入 回采工作面和推进输 送机。掩护梁前端和顶梁铰接 ， 后端 与前 、 后连杆 铰 接， 并通过前 、 后连杆和底座构成液压支架中不可缺少 的四连杆机构。该机构使液压支架在做上下运动时， 掩护梁与顶梁铰接中心点的运动轨迹形成一个近似直 线的双扭线 ， 从而使液压支架具有一个合理 、 稳定的运 动。本文对液压支架掩护梁进行 了有限元分析， 得到 了掩护梁的应力和位移分布。 1 液压支架基本结构及受力分析 1 ． 1 掩 护式液 压 支架的基 本 结构 图 1为掩护式液压支架的基本结构。 1 一顶 梁 ； 2 一 掩 护梁 ； 3一立 柱 ， 4一底 座 ； 5 一千斤顶} 6 --前连杆 l 7 一后连杆 围 1 掩护式液压支架的基本结构 1 ． 2 液 压支 架简单 平面 受力分析 对支架结构受力进行平 面力学分析 ， 首先作如下 假定 ①将支架空间结构简化为平面杆系 ， 并将箱形结 构看作梁的结构件； ②将顶梁 、 掩护梁及底座的载荷看 作某种线性分布的载荷， 而这种载荷是 由计算 出的集 中载荷经换算而得到的； ③支架各构件 的受力情况是 以支架处于最大高度时最为恶劣的工况作为计算基 础 ， 同时按不同的支架高度分级 ， 取各部件的最大载荷 对其进行强度计算 ； ④进行强度计算时取顶梁与顶板 在相对滑移时的摩擦系数 厂为 0 ． 3 。 支架受力简图如图 2所示 。图 2中， Q为垂直支 撑合力 ； P为立柱总工作阻力 ； P 为平衡千斤顶总作 用力， 推力取“ ”， 拉力取“ 一” ； 角顺时针取“ ” ， 逆 时针 取“ 一” 。 取顶梁和掩护梁 为隔离体 ，各力对 Ol 点 四连 杆运动瞬心 取力矩平衡方程为 Pr l H0 b , t a n b f Q-- b c Q一0 。 ⋯⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 水平和垂直坐标轴的力平衡方程分别为 Q ， F l s i n a l F 2 s i n a 2 一P s i n fl 0 。 ⋯⋯ 2 F l C O S O t 1 F 2 C O S O t 2 Pc o s fl Q一0 。 ⋯⋯ ⋯ 3 取顶梁为隔离体， 各力对 O点取力矩平衡方程为 Pr 2 Q， H0 P ￡ t QX 0 。 ⋯ ⋯⋯⋯ ⋯ 4 由式 1 、 式 2 、 式 3 、 式 4 可求出垂直支撑合力 n P r l r 2 -- PE t b 1 --f t a n q b 。 合力作用点为 z 一 Pr P E t 厂 H 。。 前连杆受力为 F，__Q f t a n a z - -P s i n fl t a n a 2 c o s f1 ． t a na 2 C O S O t 】 一 s i n a】 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 6 1 6 ；修回 日期 2 0 1 2 一 I O 一 1 6 作者简介 李翠勤 1 9 8 6 一 ，男 ，山西吕梁人 ，在读 硕士研究生 ，研究方向 结构疲劳寿命分析 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 8 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 3 年 第 2期 后 连杆 受力 为 F Q--Pc o s fl --F l c o s a 1 ． 。 COSo t z 图 2支架平面受 力示意 图 参照 z Y8 8 O 0 ／ 1 7 ／ 3 5 D已知参数 ， 平衡千斤顶受压 力 为 1 4 5 0 k N 时 ， 掩 护 梁前 、 后 连杆 铰 接 孔 处 受力 情 况见 表 1 。 表 1 掩护 梁前 、 后铰接孔处受力情况 支架高 千斤顶倾 前连杆摆 后连杆摆 前连杆受 后连杆受 度 mm 角 口 。 角 口 l 。 角 口 z 。 力 F l k N 力 F 2 k N 3 5 0 0 4 6 ． 4 3 2 O ． 1 4 3 8． 6 8 3 9 94 3 Z 7Z 3 3 0 0 51 ． 7 5 2 6 ． 1 4 4 3 ． 3 8 3 2 6 6 2 4 55 3 1 O 0 5 6 ．1 8 3 1 ． 6 4 4 7 ． 9 5 2 6 8 4 1 87 1 2 9 0 0 6 O ． O 1 3 6 ． 6 4 5 2 ． 2 9 2 1 5 5 1 3 85 2 7 0 0 6 3 。 4 2 4 I ． 1 4 5 6 ． 3 6 1 6 2 8 9 3 7 2 5 0 0 6 6 ． 9 O 4 5 ． 6 4 6 0 ． 5 9 1 0 0 0 4 4 2 2 3 0 0 7 0 ．1 8 4 9 ． 6 4 6 4 ． 5 2 3 0 4 6 6 2 1 0 O 7 3 ． 3 3 5 3 ． 1 4 6 8 ． 1 2 46 9 5 8 2 1 9 0 0 7 6 ． 4l 5 6 ． 1 4 7 1 ． 4 0 1 3 l 1 1 0 8 3 I 7 0 0 7 9 ．6 4 5 8 ． 77 7 4 ． 5 2 2 2 5 4 1 5 5 3 参考表 1 所示不同支架高度时液压支架前 、 后连 杆处受力 ， 绘制 出液压支架掩护梁与前 、 后连杆铰接点 处的受力曲线 ， 如图 3所示。 5 00 0 4 00 0 3 00 0 2 00 0 1 00 0 0 一 1 00 0 2 00 0 - 3 00 0 - 4 00 0 ．／ ＼ 层t ＼ 、． 2 2 2 盒 2 盒 窖 2 舌 r 曲 而 ∞ n H 支架 高度 ／ 口 图 3 液压 支架掩护 梁铰 接孔 处受力曲线 对图 3进行分析得知， 随着支架高度 的降低掩护 梁铰接孔处受力 绝对值 总体处于下降趋势 ， 当液压 支架处于最高位置时掩护梁铰接孔处受力最大。考虑 到以上分析结果 ， 本 文对液压支架高度为3 5 0 0 mm时 掩护梁的受力情况进行有限元分析。 2 掩护梁实体模型的建立 液压支架掩护梁的实际结构相当复杂 ， 通过 UG 建模时 ， 在保证液压支架部件轴心的距离 、 相对位置和 主要零部件尺寸不变的前提下 ， 进行 以下简化处理 ① 简化起加强作用的筋板； ②省略为满足工艺要求而设 置的圆角和孔 ； ③省略侧护板； ④省略或简化焊缝 、 螺 纹 以及 管线 等 细节部分 。 简化以后， 结构原受载荷的能力保持不变， 不会对 整架主要结构件的受力状况产生影响 ， 且可使有 限元 分析计算的 C P U时间适 中， 不耗费过多的时间。 本文通过简化处理， 将掩护梁分为 1 3 个“ 组件” 进 行装配 ， 完成后 的掩护梁实体模型如图 4所示。 图 4掩 护梁 买体 模 型 3 掩 护梁 的有 限 元分析 3 ． 1 建立有限元分析模型 1 定义材料属性 掩护梁材料 为 Q5 5 0 ， 其 屈服 强度 ≥5 5 0 MP a ， 极 限抗拉强度 O rb ≥6 7 0 MP a 。 2 定义单元属性划分 网格 本文选择实体单元 类型对掩护梁进行 网格划分 ， 能够很好 地模拟外载荷 作用 下 的掩护 梁 。 3 ． 2 定义仿真模型 中的边界约束和载荷条件 1 设置约束边界条 件 约束掩护梁 和顶梁铰接 处三个方向的平面移动自由度。 2 施加载荷 根 据受力分析结果 ， 通过 内加载 的方式确定受力节点和受力面； 根据铰接处受力情况 以及前面的计 算将力加载在铰接孔 线状分布 的节点 上 。掩 护梁 的有 限元 分析模 型如 图 5 所 示 。 图 5 掩 护 梁 有 限 元分 析 模 型 3 ． 3 求解及其解算参数的设置 1 编辑解算方案 勾选[ 迭代求解器] 复选框 ， 将 其激 活 ； 单 击 [ 工 况 控 制 ]选 项 卡 ， 单 击 [ Ou t p u t R e q u e s t s ] 右侧的创建模型对象图标 ， 弹出[ 结构输 出 请求] 对话框 ， 激活[ 启用应变] 选项 。 2 求解 单击[ 求解] 命令， 点[ 确定] 开始求解， 完成后双击[ Re s u l t ， 进入后处理界面。所得掩护 梁 应 力云 图 如图 6所示 。 由图 6可 以看出， 液压支架高度为 3 5 0 0 mm、 额 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年第 2期 机 械 工 程 与 自 动 化 2 9 定载 荷 工况 下 时 ， 掩 护 梁应 力 值 分 布 在 0 MP a ～ 4 6 6 ． 0 4 MP a 范围内。顶梁和掩护梁铰接孔 以及掩护梁 和前、 后连杆铰接孔等处所受应力较大 ， 其中最大应力 发生在掩护梁和顶梁铰接孑 L 处， 其值为 4 6 6 ． 0 4 MP a ， 掩护 梁梁体应力较小， 局部有应力集中现象。 图 6掩 护 梁 应 力云 图 参考 德 国 D B T公 司结 构 相 近 的 Ws 1 ． 7型 液 压 支 架实测数据 测点分布如图 6所示 ， 绘制 的应力分布 拟合曲线如图 7所示。由图 7可以看 出， 仿真和实测 的受力分布曲线相似， 说 明仿真与实际具有较好的一 致性 。由于分析时对掩护梁选取同一种材料以及对掩 护梁模型的简化处理， 所 以分析结果 与实 际结果有一 定 的偏 差 。 4结论 本文进 行 了液压 支架掩护梁 的受力 分析， 利 用 UG建立了掩护梁的三维模型及有限元力学模型。通 过 UG 自带的高级仿真软件， 得到了掩护梁的应力和 位移分布。计算结果可用于修正设计， 提高掩护梁结 构的可靠性 ， 为液压支架部件的结构优化奠定了基础。 测 点 图 7仿真与实测数据对 比图 参考文献 E 1 ] 樊 军。 钱玉军 ． 徐祖 辉． 两 柱掩护 式液压支 架受力 分析 及 结 构件强度 校核[ J ] ． 煤矿机 电， 2 0 0 8 2 l 1 1 - 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