液压支架试验台底座键联接结构分析 -.pdf

2 0 1 2年第 1 0期 煤炭工程 液压 支架试验 台底座键联接结构分析 沈宏 明1 ,2 1 ．煤炭科学研究总院，北京1 0 0 0 1 3 ； 2 ．煤炭资源开采与环境保护国家重点实验室，北京 1 0 0 0 1 3 摘要 在对 2 6 0 0 0 k N液压支架试验 台的设计过程 中，选择底座与立架联接 处作为关键部 位 ，并选取 了受力复杂的键联接结构进行受力分析。通过简化 ，建模 ，计算 出了螺栓处的受力状 况。同时，为以后设计大吨位键联接液压支架试验 台提供 了一种键联接 强度 的计算方法。为了防 止在试验过程 中键联接部位 出现缝 隙，对预 紧力进行 了计算 ，为大吨位液压支架试验台键联接 的 安装提供 了计算预紧力的方法。 关键 词 液 压 支架 ；底 梁 ；键 联接 ；预 紧力 中图分类号 T D 4 0 3 文献标识码 B 文章编号 ’ 1 6 7 1 ～ 0 9 5 9 2 0 1 2 1 0 _ 0 8 9 _ 4 液压支架试验 台是液 压支 架 出厂检 验和 型式试 验 的重 要设备，随着煤炭产业规模的不断发展 ，井下液压支架承 载能力和开采高度也不断增加，煤机厂对液压支架试验台 的需求也越来越大。目前，新开发的液压支架试验台在活 动梁和立架 的联接上基本保持了一致 ，即销轴式的联接， 虽然有的采用了双层错位插销的方式来增加换挡数，但是 在受力结构和单销的是一样的。而在立架和底梁的联接上， 则一共有三种不一样 的受力 结构模 型。分别 为 双销轴式 、 单销带斜支撑式、键联接方式。 前两种方式的计算方法归类于销轴类，已经有成熟的 计算流程，在这里不做进一步 的描述 J 。而键联接方式 的计算目前尚且没有这方面比较成熟的计算流程。而键联 接处的强度校核直接关系到试验台整体的强度和寿命。 论文立足 于底 梁 和立架 之 间键 联接 方式 的计 算 ，提 出 了一种简洁的计算流程。通过建立试验台键联接强度的校 核流程，可以实现在超大吨位液压支架试验台中使用键联 接 ，从而节约大量 的钢材 和地基空间 。 l 计算模型概述 键联接计算时，一般用键联接来抵抗竖直分力，而水 平分力和扭转力矩则 由键周围一圈的螺栓组来承担。在受 力分析时 ，为不失一般性 ，可以把这两部分分开来算。文 中以2 6 0 0 t 液压支架试验台底梁与立架之间的键联接为例进 行计算，试验台结构为三两四柱式。 2键的剪切和挤压强度校核 2 ． 1 剪 切应 力 已知试验 台最 大 承载 能力 为 2 6 0 0 0 k N，则单 个 立柱 承 受 的竖直方 向分力 为 6 5 0 0 k N。键板 的外形尺 寸如图 1 所示 。 垂直剪切应力 ． _ q v 1 6 ．0MPa 图 1 键板 的外 形尺寸图 mm 其 中 ，Jr 为相应剪应力 ；q为相应剪力 ；A为相 应受 剪 截面面积 。根据 强度 理论 ，材 料 的剪切 应力 与正应 力有 如 下关系 0 ． 5 7 7 f ， ，使用 Q 4 6 o钢材，则屈服极限剪 ’ 切应力 r 2 6 5 ． 4 2 MP a 。 安全 系数 n2 6 5 ． 4 2 ／ 1 61 6 ． 6 。 2 ． 2联 接部 的挤 压 强度 校核 垂直挤 压应力 P 1 2 7． 6MPa 其中， 为相应挤压应力 ；P 为相应挤压力；6 为相 应受挤压部 位长度 ；1 为相应受挤压部位宽度 。 其屈服极限挤压应力 P 1 ． 5 4 60 6 9 0MPa 垂直挤压安全系数 n f， 6 9 0 ／ 1 2 7 ． 6 5 ． 4 。 收稿 日期 2 0 1 2 0 3 0 1 作者简介沈宏明 1 9 6 5一 ，男，辽宁凌源人 ，高级工程师，1 9 8 9年毕业于中国矿业大学机械设计专业，现从事矿山 支护设备检测方法的研究及检测产品的开发工作。 8 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 0期 煤炭工程 螺 栓 预 紧 力 键 脱离, e lH I 点 图 5 键 联接受力 曲线 图 平移下来的水平方向力作用在键联接处的大小为 平 9 0 4 ． 6 2 5 k N 由弯矩引起的螺栓受力，距离螺栓组最远的螺栓所受 到的拉力最大 ，为 。 丁 9 9． 4k N “ 一 蠢⋯ 十 一 。 其中， 到 分别为各个螺栓作用力到倾覆 中心轴的 力臂 ；r m a x 为距离最远的螺栓的力矩。 由水平力引起的螺栓受力，螺栓组均布为 ， 螺 栓 水 平 边 T9 0 4 ． 6 2 5 k N2 5 ．1 k N 综合考虑为 F左 a x F “ F螺栓水平 9 9． 4kN 25． 1k N 1 24． 5k N 即螺栓 受 到最 大 的拉力 为 1 2 4 ． 5 k N，保 证 接合 面最 小 受压处不分离的条件为 一 M o j 力 1 3 3 ． 7 k N 其中，F 预 紧 力 为螺栓预紧力；Z为螺栓数量；M 为倾覆 力矩 ；W为抗弯截面系数 ；A为键接触面积。 平键联接时 一 M 0 j 力 l 3 3． 7k N 综合考虑为 j 预 紧 力 F预 紧 力 F 螺栓 水 平 1 5 8 ． 8 k N 在例子中使用的材料是 Q 4 6 O钢板，o r 4 6 0 MP a 。 则保证结合面最大受压处不压溃的条件 [ ] 3 6 8 MP a L J F ≤ [ or p ] 一 M A 1 0 0 3 7 ． 3 k N 平键联接时 ≤ [ F ≤ [ 卜 M A 1 4 2 5 9 ． 8 k N 综上所述 ，当预紧力为 1 5 8 ． 8 k N时，可以保证左侧键 联接处不分离。同时能满足强度条件。 4 ． 2右侧键 联接 处计算 右侧键联接处受到的弯矩 M Ml 6 ．9 X 1 0 N I n 平移下来的水平方向力作用在键联接处的力大小为 F 水平 9 04 ． 6 2 5 k N 由弯矩引起的螺栓受力，距离螺栓组最远的螺栓所受 到的拉力最大 ，为 等 4 03 ．5 kN “ 一 十 ⋯ 十 其中，r 到 分别为各个螺栓作用力到倾覆中心轴的 力臂 ；r 为距离最远的螺栓的力矩。 由水平力引起的螺栓受力，螺栓组均布为 F螺栓水平 2 5．1 kN 综合考虑 为 F 左⋯ F埘 m a x F 螺栓 水 平 3 7 8 ． 4 k N 即螺栓受到最大的拉力为 3 7 8 ． 4 k N，保证接合面最小 受压处不 分离的条件 A 一 M 0 力 5 4 2 ． 6 k N 其中，F 预 紧 力 为螺栓的预紧力；z为螺栓数量；M为倾 覆力矩 ；W为抗弯截面系数 ； A为键接触面积。 平键联接时 A 一 M 0 j 5 4 2 ． 8 k N 综合考虑为 F右 预 紧 力 F预 紧 力 Fta ． 51 7 ． 7 k N 在前面计算过结合面最大压溃力为 F1 4 2 5 9 ． 8 k N 。 综上所述 ，当预紧力为 5 1 7 ． 7 k N的时候，可以保证右 侧键联接处不分离。同时能满足强度条件。 4 ． 3强度校核 分 析 一 般情况下，螺栓预紧力低 于螺栓许用拉力 7 0 ％ 一 8 0 ％的规定 ，则认为可以实现。文 中需要螺栓预紧力为 5 1 7 ． 7 k N。选 用 M3 6强度 1 2 ． 9级 的螺 母，许 用拉 力 为 7 9 2 k N，满 足强度条件 。 5结语 通过结构分析，发现偏载试验时承载力的水平分力对 键联接处的弯矩作用远大于 接近 2倍 其他试验时承载力 对键产生的弯矩。 同时， 通过分析发现 ， 为了防止由于键联 下转第9 5页 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 O期 煤炭工程 锚 长度／ m 图 6塑性阶段的剪应力分布 图 锚 长度／ m 图 7 残余强度阶段的剪应 力分布 图 所示。从图8中可以看 出， 2 m时， “ 1 1 ． 2 m，说 明 0～2 m的锚杆处于残余强度状态； 5 m， u ． 6 ． 2 m m，说 明 2～ 5 m 的锚 杆 处 于塑 性状 态 ， 5～7 m 的锚杆处 于弹性状 态。 锚l古 I 长度／ m 图 8 残余强度阶段剪切位移 曲线 上接 第 9 1页 接处出现松动而引起键联接的破坏 ，所需预紧力要远大于 接近 2倍 强度实验的需求。通过对文中液压支架试验台 底梁键联 接处的结 构静 力分析 ，给 出了螺 栓强 度 的理论解 与螺栓预紧力的理论解，为高强度键联接部件的设计和安 装提供 了理论支持 。 参考文献 [ 1 ] 赵忠辉 ，刘欣科．强 力液压 支架试验 台结构设计及其强度有 限元分析 [ J ] ．煤矿机电 ，2 0 1 1 ， 1 0 5 5～ 5 8 ． 4结论 1 随着锚杆 载荷 的变化 ，锚杆 处 于三 个不 同 的阶段 弹性阶段、塑性阶段和残余强度阶段，三个阶段 的剪应力 分布具有不同的规律，弹性阶段剪应力是双曲线 ，塑性阶 段 剪应力是单峰 曲线 ，残余 强度 阶段 剪应 力是 水平 直线 与 单峰曲线 的组合 。 2 根据锚杆处于不同阶段的剪应力分布不同，由此可 以判断锚杆所处的阶段 ，即锚固状态。 3 锚 固段 的剪应 力主要集 中在前 4 m左 右 ，超 过这个 部分所承担的载荷很小 ，故锚固段太长是没有意义的。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7] [ 8 ] [ 9 ] [ 1 O] 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