液压支架立柱参数化设计与校核.pdf

2 0 1 0年第 1 1 期 中州煤炭 总第 1 7 9期 液压支架立柱参数化设计与校核 商 俊 ， 赵 琪 ， 孙 远 方 ， 许 栋 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 液压 支架的发 展对立柱 千斤顶设计提 出了新 的要求， 目前 的设计 手段仍 以平 面制 图为主 ， 影响和制 约 着行业 的发展。在引入三维设计和有 限元分析软件 的基础上， 以液压支 架立柱 为对象， 对其进行参 数化设计 和校核。重点讲述 了立柱 的参数化设计 ， 并对其采用 了强度 校核 中的有 限元分 析法进行 分析 。分 析结果 认 为 ， 参 数化设计 与校 核的使 用提高 了设计效率 ， 缩 短 了产品开发周 期。 关键词 液压支 架； 立柱千斤顶 ； 三维设计 中 图 分 类 号 T D3 5 5 ． 4 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 30 5 0 6 2 0 1 0 1 l一0 0 2 10 2 Pa r a m e t r i c De s i g n a nd Che c k o f Hy dr a u l i c S up po r t Co l u m n S h a n g J u n ， Z h a o Q i ， S u n Y u a n f a n g ， X u D o n g Zh e n g z h o u C o a l Mi n e Ma c h i n e G r o u p C o ．， L t d ．， Zh 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 A l o t o f n e w d e ma n d s f o r c o l u mn d e s i g n a r e p r o p o s e d wi t h t h e d e v e l o p me n t o f h y d r a u l i c s u p p o r t ． T h e p l a t d e s i g n i s t h e ma j o r me t h o d i n de s i g n a t p r e s e n t ， whi c h a ffe c t s a n d r e s t r i c t s t he c r e a t i o n o f s u p po r t ． Ba s e d o n a p p l y i ng t h e 3 D de s i g n s o f t wa r e a n d f i ni t e e l e me n t a n a l y s i s s o ft wa r e ， wi t h h y d r a u l i c s u p p o r t f o r t h e s t u d y i n g o b j e c t ， p a r a me t r i c d e s i g n a n d c h e c k we r e c a r r i e d o u t o n i t ． T h e p a p e r ma i n l y i nt r o d uc e d t h e p a r a me t r i c d e s i g n o f c o l umn， a n d a na l y s e d t h e c o l umn us i ng f i ni t e e l e me n t a na l y s i s me t ho d i n s t r e ng t h c h e c k． Th e u s a g e o f p a r a me t r i c d e s i g n a n d c h e c k ca n i m p r o v e t he e ffi c i e nc y a n d s h o r t e n t he p e r i od o f p r o d u c t d e s i g n． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s u p p o r t ； c o l U mn j a e k； 3 D d e s i g n 随着大 倾 角 、 高 阻力 、 大 中心距 等 多种架 型 的发 展 ， 立 柱千斤 顶也 随之 向大 缸 径 、 大 伸 缩 比发 展 ， 复 杂的地 质条 件对 立 柱稳 定 性 的要 求 也越 来 越 高 。 立柱千斤顶结构相对比较稳定 ， 除液压行程外 ， 其余 部 件结 构可 以不 变 动 ， 因 此 可 以应 用 现 代 化 软件 和 手段 ， 对千斤顶 、 立柱进行合理分组 ， 建立立柱 、 千斤 顶 三维参 数化 模 型 ， 对 千 斤 顶 、 立 柱 的 安全 系数 、 强 度 、 稳定 性等 进行计 算 校核 ， 并 开发简 单 易用 的千斤 顶 、 立柱 的分 析校 核 软 件 ， 为 优 化立 柱 、 千 斤顶 结 构 参 数提供 理论 依据 ， 以 提高 设 计 效 率 和 缩 短加 工 制 造 过程 ， 进 而 为企业 创造 更大 效益 。 1 液压 支架立柱参数化设计的概念 三维造 型应 用软件 的使 用 已经 比较 普 遍 ， 如 Pr o ／ En g i n e e r 、So l i d ／Ed g e UG S o l i d W o r k s CAXA A u t o C A D等 ， 在我国机械企业中都 已采用 。无 论采 收稿 日期 2 0 1 0 0 81 0 作者简介 商俊 1 9 7 8 一 ， 女 ， 湖北武 汉人 ， 助 理工程师 ， 2 0 0 8年 毕业于中国矿业大学 ， 现从事 液压设计工作 。 用 哪种 三维 C A D软 件 ， 都可 以较 好地 完成 液 压支 架 零 部件 的三 维 造 型 。利 用 三 维软 件 建 模 ， 很 容 易 实 现 参数 化 、 标 准 化 、 系 列 化设 计 ， 是 液 压支 架 最 理 想 的建模 方式 。利 用三 维 实 体 间 的布 尔 运 算 交 、 并 、 补 ， 将 多 个 简 单 零 件 组 合 成 一 体 ， 生 成 新 的 实 体 等 ， 生成的实体模型均采用参数化特征造型。 参 数化 设计 是近 几年 才发 展起 来 的先进 造型 技 术 ， 从产 品设 计 到制造 的整 个过 程 ， 产 品的几 何形 状 和 尺寸不 可 避免 地 要 反 复 修 改 、 协 调 和 优化 。参 数 化设计就是利用数值驱 动零件和部件的特征尺寸 ， 在进 行 系列产 品 的设计 时 ， 只需 添加 多组 数据 ； 重新 设 计 时 ， 只需修 改部 分数 据 即可 。 2参数化建模 本 文选 取 Z Y 1 2 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 3液 压 支架 用 直 径 4 0 0 mm的 大 立 柱 为对 象 ， 采 用 S o l i d ／ E d g e软 件 进 行 参 数 化建模 ， 利用 欧洲 标准 ， 采用 有 限元分 析 软件进 行 强 度校 核 。 建 立 了立柱 各 零 部 件 中 缸 、 外 缸 、 活 柱 、 导 向 套等 的 3 D模型 ， 就可以对立柱进行装配。装配好 21 2 0 1 0 年第 1 1 期 中州煤炭 总第 1 7 9期 的立 柱 如 图 1所示 。 完成 了立 柱 的 3 D 建模 和装 配 ， 即实 现 了立 柱 的参 数化 设计 。在 应 用 中 ， 如 果 要修 改立 柱 的某 一 尺 寸 ， 装 配件 中此零 件 的尺 寸也会 相应 改变 ， 由此 生 成 的工程 图的尺 寸 也会 相 应 产 生 变 化 。 因此 ， 通 过 参数 化设 计 ， 可 以保 证设 计 的快速 性和 准确性 。 图 1立柱 装 配 3 强度校核 按 照欧 洲 标准 ， 立 柱 的强 度校 核 主要 是 对 2种 工况下的安全系数进行校核 ①立柱 承受 1 ． 5倍 额 定载荷时； ②活柱顶端 承受 1 ． 1倍、 偏心 3 3 mm的 额定 载荷 时 。 立 柱 的强 度 校核 有 很 多方 式 ， 可 以通 过经 验 公 式 自行计 算 ， 也可 以 利用 三维 设 计 软 件 中 自带 的 相 关模 块进 行核 算 ， 如 S o l i d Wo r k s 和 P r o ／ E等软 件 都 具有 相关 的功 能 ， 或者 基于 三维 软件进 行二 次开发 ， 自行 设 计 立 柱 强 度 校 核 软 件 ， 如 基 于 N X N a s t r a n 、 U G的二 次开发 软件 ， 可将 软 件设 计 为 界 面 形 式 ， 由 用 户直 接输入 参数 ， 得 出立 柱各个 部分 的挠 度 ， 进 而 得 出立 柱 的稳 定性 和安 全 系数 ， 免 去 了 繁琐 的公 式 计算 ， 整个过程简单、 明了。 3 ． 1有 限元 分析 法概 述 在 众 多立 柱 的强度 校 核 方 式 中 ， 较 为成 熟 和被 广 泛采 用 的是有 限元 分析 校核方 式 。有 限元法 是最 重 要 的工程 分析 技术 之一 。有 限元法 在各 个工 程领 域 中不断得 到深 入 应 用 ， 现 已遍 及 宇 航 工 业 、 核 工 业 、 机 电、 化 工、 建筑 、 海洋等工业 ， 是 机械产品动 、 静 、 热 特性分 析 的重要 手段 。 3 ． 2 中缸 的有 限元分 析 根据 以往 的 经验 ， 中缸 是 整个 双 伸 缩立 柱 当 中 受力 最为 复杂 的部件 ， 在 这里选 取 中缸 为分析 对象 。 启动 U G 软件 ， 导 入 先前 建 立 的立 柱 中缸 3 D模 型 ， 选择 高级 仿真 ， 进入 有 限元分 析界 面 ， 对 模 型进行 网 ． 22 ． 格划 分 ， 如 图 2所示 。 图 2有 限 元 网 格 按照 1 ． 5倍 额定 载荷 施 加 力 ， 计 算 出 中缸 内部 的液体压力 ， 根据设计计 算该 数值 为 3 6 ． 3 MP a ， 对 中缸 进行底 部 和 缸 口部 位 固定 ， 内部 施 加 载荷 液 体压 力 。经 过 计 算 ， 得 中缸 的 位 移 与 应 力 情 况 如 图 3、 图 4、 图 5所 示 。 图 3中缸位移 图 4 中缸 最 大 和 最 小 应 力 位 置 图 5 中缸内部点应力 由分析得出 ， 中缸 内壁最大 的应力值 为 5 4 6 ． 7 MP a ， 由于 中缸 的许用 应力 为 7 0 0 MP a ， 因此 ， 中缸 的 安全 系数 为 7 0 0 ／ 5 4 6 ． 71 ． 2 8 。 以上分 析 了立柱 中 缸 的最大应 力 ， 利用 对立 柱 的强度 校核 ， 可 以验 证设 计所 选 的参数 。对 于立 柱来说 ， 中缸 的情 况最 恶劣 ， 因此 ， 在设 计 中要提 高 中缸 的强度 ， 从而 提高 整个双 伸缩 立柱 的稳 定性 。 下转 第 4 O页 2 0 1 0 年第 1 1 期 中州煤炭 总第 1 7 9 期 问增 加 1 倍 多 ， 三机 、 支 架 以及 外 部运输 影 响时 间呈 下降趋势 ， 外部运输 主要是机运队胶带输送机运输 能力 以及 主井 提 升能 力 有 限 ， 造 成 影 响 时 间基 本 持 平 。第 2个 月 由于在 西二 轨 道专 门为 工作 面 布 置 l 趟 1 5 0 mm清 水 管 路 ， 保 证 了工 作 面正 常 供水 ， 第 2个 月水 的影 响时 间大 大减 少 。 2 通 过对 1 2 0 1 1工 作 面将 近 2个 月 的生 产 影 响统计 来 看 ， 现 影 响 工作 面 设 备 正 常 开机 的 因素 主 要有 ①采煤机行走部轴承啮合不好 ； 采煤机隔离开 关接 线柱 故障 ； 采 煤 机 不 牵 引 。② 刮板 输 送 机 刮 板 断链 以及 转载 机连 接 环 断 ， 在 生 产 过程 中造 成 设 备 长时间影响。③破碎机电机接线盒进水 。④液压支 架窜 漏液严 重 ， 造 成 在 割煤 过 程 中收 伸 缩梁 、 拉架 、 推溜 缓慢 ， 直接 影 响 采 煤 机 割煤 速 度 。⑤ 胶 带 输 送 机胶 带磨损 严 重 、 跑偏 ， 在 运 转过 程 中需 停 机处 理 。 ⑥外部运输影响 ， 主要包括胶带输送机变频器故障、 胶带 输送 机压 死 、 主 井 提 升 能力 有 限 。⑦ 其 他 影 响 因素 缺少 冷却 水 以及水 压不 够 、 现场操 作人 员正 规 操作 技能 差导 致设备 损 坏 ， 影 响正 常开 机 。 3 解决方法 1 对 各 工 种 人 员 进 行 综 采 设 备 培 训 ， 不 断 提 高员 工 自身综 合素 质 ， 使 员 工懂得 设备 的构 造 ， 掌握 了解设备性能 ， 在设备 出现故 障后能够快速准确作 出反应 ， 及时发现问题所在 ， 将设备的影响时间尽可 能缩 至最 短 。 2 加强员工的责任心， 提高检修质量， 不放过 任何 细小 故 障 ， 更 不 可 因 自身工 作 的 疏 忽 而造 成 更 大 的事 故发生 。 3 严格 执 行 现 场 交 接 班 制 度 ， 让 检 修 人 员 能 够 清楚 地 了解 设 备在 生产 过程 中的运 行状 态 以及存 在的问题 ， 以保证能够快速彻底地处理故障， 避免故 障扩大 化和影 响工 作 面 的开 机 。 4 加强 设 备 的使 用 以及 检 修 管理 ， 不 断 提 高 设备 的完好标 准 ， 保证 设备检 修 不 留死 角 ， 确 保设 备 各保 护 装置 的完好 。 5 井下配备足够 的配件 ， 保 证能及时更换 故 障零件。 4 结语 为 提 高综 采 工 作面 开 机 率 ， 赵 固一 矿 着重 加 强 了职工 培训 。随着 检修 人员 对设 备 的性 能 、 结构 、 原 理 的不 断熟悉 以及 检修 技 能 的不 断提 高 ， 设 备 的 检 修质 量越 来 越 可 靠 ， 设 备 的影 响 时 间也 越 来 越 短 。 由于不 正规 操 作 所 导 致 的 事 故 影 响 时 间也 大 大 减 少 ， 设备 的故 障 率也 呈 不 断 下 降 的趋 势 。 随着 培训 工作 的不断进行 ， 员工操作水平也不断提高， 工作面 工程 质 量 和设 备 正 规 操 作 上 都 得 到 了强 有 力 的保 证 ， 由于人 为操作 问题 导 致设 备 影 响 生 产 的时 问 也 在 不 断缩短 。另 外 ， 提 高 人 员技 能 熟 练 程度 不 但 可 以保证设备的检修质量和提高检修效率 ， 而且大大 缩 短 了较大故 障设 备 的检 修时 间 。 参 考 文献 [ 1 ] 朱润生． 神东上 湾煤矿综采 工作面 开机率分析 [ J ] ． 华北科技 学院学报 ， 2 0 0 6 1 2 2 - 2 4 ． [ 2 ] 孙永 奎． 综采 面开机率影 响因素及 提高开机率 的途径 [ J ] ． 煤 炭技 术 ， 2 0 0 3 8 5 1 - 5 2 ． [ 3 ] 谷建平． 浅谈综 采工作 面提 高开机 率 的措施 [ J ] ， 煤 炭技术 ， 2 0 0 3 1 0 4 8 ． [ 4] 欧林 山． 影响采煤机开机率 的主要因素及对策 [ J ] ． 煤炭科 技， 2 0 0 2 3 1 2 1 3 ． 责任编 辑 刘光雨 上接 第 2 2页 4 结 论 主要对 液压 支架 立柱 部件 进行 了参 数化 三维造 型设计 。 针 对 Z Y 1 2 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 3液压支 架 用 4 0 0 mm 的大立 柱 ， 依据 欧洲 标准 ， 采用 有 限元分 析方 式进行 了分 析 ， 得 出以下结 论 1 参 数 化设 计 不 仅 能 够 更 加 直 观 、 迅 速 地进 行立 柱设 计 ， 而且 为 以后 的修 改 工 作带 来 很 大 的方 便 。只需 更改需 要 改 动 的 尺 寸 ， 总 装 配 图和 二 维 工 ． 40 ． 程 图均会 相应 改变 。 2 立 柱强 度校 核 。通 过 有 限元 分 析 的方法 对 立柱 进行 强度 校核 ， 结论 表 明 ， 中缸 的受 力情 况最恶 劣 ， 符 合其 他校 核 方 式 的结 果 。通 过立 柱 的强度 校 核 ， 可 以对设计 的参 数进 行验 证 ， 从 而指 导设 计 。 参 考文 献 [ 1 ] 赵宏珠． 液压支架lT作阻力[ M] ． 徐州 中国矿业 大学出版社 2 0 02 ． 责任 编辑 刘欢 欢