液压支架虚拟压架试验研究.pdf

第 1 5卷 第4期 总第 9 5期 2 0 1 0年 8月 煤 矿 开 采 Co a l mi ni n g Te c h n o l o g y V o 1 ． 1 5 N o ． 4 S e r i e s N o ． 9 5 Aug u s t 2 01 0 液压支架虚拟 压架试验研 究 郑 兰芳 1 ．1{ J 『 q 人I 屯 武装臀察部队学 院，河北 廊坊 0 6 5 0 0 0 ；2 ．两安科技大 ， 陕 西安 7 1 0 0 5 4 [ 摘要] 压架试验是检测液压 支架设计是否合理，液压支架是否可以投入生产的必要手段。 传统的液压支架压架试 验耗时耗材 ，应用有限元 方法模拟压架试验 工况 ，计算得到数据较 多，提高液 压支架设计水平。此方法结合某型号液压支架的传统压架试验 ，得 到结果 比较满意，可以推广。 [ 关键词] 液压支架；虚拟；压架试验；有限元分析 [ 中图分类号]T D 3 5 5 ． 4 1 [ 文献标识码]B [ 文章编号 ]1 0 0 6 6 2 2 5 2 0 1 0 0 4 - 0 0 9 0 - 0 3 Re s e a r c h o n Vi r t u a l Cr u s h i n g Te s t f o r Po we r e d S up po r t 液压支架架型和参数的选择取决于开采煤层的 地质条件 、生产能力规模 以及相配套的采煤机和刮 板输送机等设备。传统的液压支架设计主要采用经 验设计和类 比设计来进行 ，支架设计完成后，试制 样机 ，然后 依据 中华 人 民共 和 罔煤 炭 行业 标 准 MT 3 1 2 2 0 0 0 液压支架通用技术 条件，进行压 架试验 ，压架试验通过，证 明设计合格可以量产 ； 若不合格则要修改设计图纸，再生产样机，进行 架试验 ，如此反复。虚拟试验方法，是在产品设 计 阶段 ，在计算机中模拟压架试验工况，进行有限元 仿真分析，全面地了解支架结构的应力 、应变和化 移。根据分析结果，找到应力危险 域以及结构 t ， 刚度薄弱的部位 ，进行数值模型 j 没汁方案的对比 修改，从而以最短的周期 、最低的成本支持产品设 计 ，并为进一步改善液压支架结构的受力情况 、改 进结构 、减小支架重量提供一定的理论依据 。 1 压 架试 验研 究 1 ． 1 液压支架模型建立 j维模型的建 过程对 比于二维工 图纸市 H 对 复杂 ，但是能更好的表达真实 的模 型构造，冈此 ， 使用 C A D软件进行三维实体模型设计成为必然趋 势。液压支架的三维零件实体模型建 完成后，对 各个零部件进行虚拟装配。 装配过程就可以枪查液压支架静态条件下各零 件之间是否有干涉 ，是否合乎设计要求。_女 l J 果出现 问题 ，可以根据需要对 牛成 的零件 和特征进行修 改，直到达到液压支架设训‘ 要求为止。这种三维模 型的建立提高了设计效率 ，是产品快速 没计的重要 途径 。 1 ． 2强度 试验 液压支架的试验以 MT 3 1 2 2 0 0 0 液压支架通 用技术条件 为依据 ，主要试验 内容包括外观质 节检测 、操作性能检测 、密封性能检测 、支护性能 检测 、强度试验_不 1 1 耐久性试验。强度试验的加载方 式包括顶梁两端集巾载荷 、顶梁扭转 、顶梁偏载、 顶梁 中部集 巾载荷 、底座两端集 中载荷 、底座 扭 转 、柱窝加载、顶梁加载等。根据多年多次压架试 验情况，矢 道液压支架最危险的受力工况为顶梁偏 载 、顶梁扭转 、底座扭转。 强度试验时，支架放置在内加载试验台内，试 验台蒯整到支架试验高度。顶粱偏载试验时 ，支架 高度为义架最低高度加 3 0 0 mm，其余项 目试验时， 支架高度为支架最大高度减去支架总行程 的 1 ／ 3 。 对于试验液压支架 ，最低最高采高分别为 1 8 0 0 m m 和 3 2 0 0 ra m，因此 ，顶梁偏载试验高度为 2 1 0 0 ra m， 余试验高度为 2 7 3 3 mm。 试验前 ，测量顶梁上平f f 『 『 ，底座侧面的下边缘 的原始挠曲度 ，以及顶梁中心线相对底座中心线在 水平方向 f 的偏离量。 对主体结构件的强度试验有多种工况 ，试验方 法为立梓内』 J 【 i 载，只对几种极易破坏的加载方式进 行研究。 1 、【 殳 J 2、图 3分别 列出了顶 梁偏载、 顶梁扭转 、底座扭转加载方式。 图 1巾顶梁偏载加载垫块应具有铰接结构，试 验 力为 1 ． 1 倍的额定 L 作压力。图 2 、图 3中顶 梁偏载 与底 扭转试验压力为 1 ． 2倍的额定工作压 力。3 个 图 中 n 1 5 0 mm；b 2 0 0 ram；C 3 0 0ram ； Ll 1 5 0 0 ～ 2 0 0 0 ram 。 进行以上各种试验之后 ，主体结构件不得有焊 [ 收稿 日期 ]2 0 1 0 0 6 2 2 [ 作者简 介]郑兰芳 1 9 7 7 一 ，女 ，河北廊坊人 ，讲师，西安科技大学，硕士研究生。 9 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 郑 兰芳液压 支架虚拟压 架试验研究 2 0 1 O年第 4期 一 I ＼ 图 1 顶梁偏载加载 一￡ I ． I I 口 b 图 2 顶梁扭 转 一 I I l l 口 图3 底座扭 转加载 缝和母材的开裂 ；顶粱和底座S t t x ,t 残余变形量应不 大于 0 ． 4 ％；顶梁中心线相对底座 r f ll 心线偏移角度 变化量应不大于 3 。 ；其他部件不得有损坏 和有影 响使用的变形。 2 虚 拟压 架试 验研 究 2 ． 1 有限元分析前处理 对于有限元分析米说，需要完成 3个步骤 ，即 前处理建模 、求解和后处理。前处理是指网格划分 和各种数据 定义 ，包括材料 性质 、约束边 界条件 等 。本食液压支架模 型最终划分 为 2 0 3 8 0个单元 ， 1 6 5 3 3个 节点 的 8节点 体 单元 、1 3 4 2 4 5个单 元 ， 1 2 2 7 4 2个节点的4节点壳单元 ，如图 4所示。 图4 液压支架 网格模型 材料的定 义 液压 支架各 种板材材料 主要足 Q 5 5 0，柱窝柱帽的材料足 Z G 2 7 S i Mn 。表 1分别列 出 了 Q 5 5 0 ，Z G 2 7 S i Mn材 料 的力学性 能 。 表 1 Q 5 5 0 ，Z G 2 7 S i Mn材料的力学性能 约束的定义根据图 1 ～图 3中的工况分别设 置相应 的约束 ，将垫块作为约束边界处理 ，将所有 垫块的约束郡 设置成 U ，U ，U 位移 移动为 0 。 约束垫垂直平动 自由度 ，这是考虑到 块 与顶 梁 ，垫块与底座允分接触 ，位移很小 ，几乎等于零 的缘故 ；约束挚块侧 向平动 自由度 ，这是 考虑 试验加载时 ，支架两边都施加约束 ，约束住了其侧 向移动 ；约束垫块水平平 动 自由度 f ／ ，这是考虑 到在强的约束条件下 ，计算出来的结果偏于保守 ， 相对安全 的缘故。 载荷 的定义液压支架试验的加载是通过 柱 实现的，由于将 块作为结构的边界约束条件来处 理 ，冈此，对于两柱掩护式液压支架 ，其外载便只 有 2根立柱对顶梁柱帽和底座柱窝所加的载荷。立 柱财顶梁 柱帽和底 座柱窝载荷是属于复 杂的接触 力，在有 限元软件里把其只当作一般的 直接加在 柱 帽 和柱窝 上 。 对于试验液压支架 ，二 L 作 阻力 为 8 7 0 0 k N，平 均到单个立柱的支撑力 P 为 4 3 5 0 k N。顶梁偏载 ， 试验压力为 1 ． 1 倍 的额定工作压力，力的方 向同铅 乖重力方向旱 1 1 ． 3 5 。 。 则柱巾 I j 水平受力 P 为 J p 1 ． 1 P s i n 0 9 4 2 k N 则柱帽铅乖方向受力 P 为 P 1 1 ． 1 P c o s 0 4 6 9 1 k N 顶梁扭转 ，底座扭转，试验 力为 1 ． 2倍 的额 定J I 作压力 ，力的方 间铅垂重力办 m 7 ． 8 5 。 央 角。柱帽水平受力 P肌为 尸 水 2 1 ． 2 P s i n 0 7 1 3 k N 则柱帽铅锤方 向受力为 P 2 1 ． 2 P C O S 0 5 1 7 1 k N 2 ． 2 结果分析 以下是依据压架试验标准而进行的有限兀分析 结果 ，图 5显 尔 了顶 梁偏 载应 力 ，最 大 应 为 6 9 8 MP a ；图 6显永 r顶梁偏载位移 图。最大位移 变形 为 9 ． 0 7 l l l l n 。 7显 示 J ， 顶 梁 扭 转 应 ，最 大 应 力 为 8 0 2 MP a ； 8显示 _r顶 梁扭转 位移值 ，最大位移 变形 为 1 6 ． 2 mm。 91 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第9 5期 煤 矿 开 采 2 0 1 0年第4期 9 2 图5 顶 梁偏载应力 图6 顶梁偏载位 移 图7顶梁扭转应力 图 8 顶梁扭 转位移 图 9显示 了顶底 座 扭转 应 力 ，最 大 应 力 为 8 3 5 MP a ；图 1 0显示了底座扭转位移值 ，最大位移 变形 为 1 9 ． 2 m m。 图 1 0 底座扭转位移 通过对液压支架极易破坏工况强度试验分析 ， 从以上 图中可以看到，所有的结果都显示结构最大 应力并没有超过材料的极限抗拉强度 ，因此 ，液压 支架不会发生一次过载大而断裂的工况。有限元分 析结果也显示最大应力与材料的屈服极限相当，甚 至超过了屈服极限，最大应力基本发生在顶梁柱帽 与加强板处 ，这是与实际压架试验情况相符合的。 此型号液压支架 的压架试验数据显示 ，试验 后，焊缝与母 材无开裂 ；顶梁变形量 0 ． O 1 ％ ；底 座变形量 0 ． 1 6 ％；偏移角度变化量 0 ． 1 3 。 ；其他部 件无损坏。顶梁和底座的相对残余变形量和偏移角 度进行测量，验证其合理性。 3结论 1 与基于试 验的传统 方法相 比，有限元计 算能够提供零部件的应力分布图，可以在设计阶段 判断液压支架零部件的薄弱位置，通过修改初始设 计可以避免不合理的应力分布，为实际的工程应用 提供依据。 2 由于在有 限元分析时设置 的刚性位移约 束，使得部分零部件应力集 中较大 ，这是不符合实 下转 9 4页 一 ／ ／ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 总第 9 5期 煤 矿 开 采 2 0 1 0年 第4期 1 ． 1单独控制 控制阀打向单独拉架位 旨，高压乳 化液通 过 1 ，到达差动阀接 口 3 ，通 过液控 1 ] 打开 4回路 ， 然后到达接 口5 ，高压液将钢珠推向右侧，封住通 往接 口7的通路 ，高压液从接 口6出来进入推移千 斤顶杆腔 ，使推移千斤顶收缩 ，带动支架实现移架 动作 ，推移千斤顶下腔乳化液一路通过接 口4州同 路，一路通过交替 阀接 r j 9 ，到 1 0 ，对定量缸充 液，如果定量缸已充满液，则乳化液只通过 4回同 路 ；控制 阀打 向单独推溜位置，高压乳化液通过 2 ，到达差 动阀接 口4 ，然后从 4到达 8 ，7和 9 ， 进入 9的乳化液由于钢珠 的作用去往 1 1的通路封 闭，只能通过 1 0进人定量缸上腔充 液，由于充液 已满 ，这一路也封闭。到达 8的乳化液进入推移千 斤顶下腔，同时一部分乳化液通过 7进入 6 ，进入 推移千斤顶杆腔 ，由于杆腔面积比缸腔小，产生的 向后的推力 比向前的推力小，活塞杆会伸 ，带动 支架实现推溜动作。 1 ． 2成组定 量推进 控制阀打 向成组推溜位置 ，高压乳化液通过 l 4 ，到达定量缸下腔接 口 l 2 ，推动定量缸 内的活 塞移动，定量缸的上腔内乳化液从定量缸上腔 出来 进入交替单 向阀接口 l 0 ，由于钢珠 的作用向 1 1去 的通路封闭，乳化液从 9接 口出来通过差动阀 ，由 于单 向阀的作用 ，高压液只能流向 7和 8 ，这时的 动作同单独推溜相同，实现支架的推 留。由于定量 缸内所能容纳的介质体积一定，从而使得推溜的步 距一定 ；控制阀打向成组充液位嚣 ，高压乳化液达 到 1 1 ，将钢球推向 9 ，封 闭住通路 ，乳化液通过 1 0进入定量缸实现对定量缸的充液。由于成组推 溜与成组充液同时并联 l 0～ 2 0组 ，从而实现 1 0～ 2 0组的定量推溜和充液。 2 成 组定量推 进 系统 的应 用 在保证采煤机体积小、功率高的前提下减小滚 ∈{ ∈{ ∈ ∈ ￡ X{ ∈ ∈{ ∈{{ ∈ _ c 上接 9 2页 际情况的。但是这种设计方法较保守，能够满足液 压支架强度要求。 [ 参考文献] [ 1 ]刘风翔 ．两柱掩护式液压支架适』 t 性试验研究 [ J ]． 煤矿开 采， 2 0 0 6 ，l 1 4 7 5 7 8 ． [ 2 ] 张继春，等 ． C A 4 8 8活塞 的强度分析及 结构改进 [ J ]．机械 强度 ，2 0 0 7， 2 9 3 5 0 1 5 0 6 9 4 筒截深，降低截割力矩。为不影响生产效率 ，降低 井下工人的劳动强度 ，不是每次割煤后都移架 ，而 是采用截割 2次后整体移架 1次的采煤工艺 ，这就 需要每次推移 步距要定量。另外 ，为提高生产效 率 ，降低工人操作控制阀的次数 ，提高推溜铲煤效 果 ，要求 1个支架能够控制 I 组支架 2 0架或 3 0 架不等 。 为满足这种工艺要求 ，将成组定量推进系统应 用于 Z Y 2 6 0 0 ／ 6 ． 5 ／ 1 6型掩 护式液压支架上 ，控制 方式采用 液压邻架先导控制与成组定 量控制相结 合，平均移架速度 9 s ／ 架 ，移架操作方便。 工作面采用 Z Y 2 6 0 0 ／ 6 ． 5 ／ 1 6型支架支护顶板 。 初采时截深 0 ． 4 5 m，推 2次溜移 1 次架。采煤机第 1 循环割煤，新暴露的顶板如完整 ，无特殊地质构 造 ，且支架梁端距不大于 0 ． 7 m 时，可以不移架。 当采煤机进行第 2次割煤 时，采 用跟机移架 的方 式 ，对新暴露顶板进行及时支护，支架滞后采煤机 后滚筒 2～ 3架带压擦顶移架。 如出现顶板破碎时，超前拉架 ，对割煤新暴露 的顶板进行支护，确保支架梁端距不 大于 0 ． 4 m。 正常情况下采煤机割煤 1刀移架 1次 、推溜 1次， 即割煤一移架一推溜，使用成组定量推进技术 ，移 架步距与截深相同。 经过 2 0 0 9年 2月至 7月 、1 1月至 1 2月 ，2个 阶段在兖矿集团公 司杨村煤矿 2个工作 面进行验 证 ，均达到了预想的要求。 3结论 通过工业试验 ，成组定量推进系统的应用，实 现了支架的成组推进和定量推进 2大功能 ，满足了 含硫化铁硬夹矸薄煤层综采_ lL 艺对于支架的功能要 求 ，达到了预想的设计要求 ，解决了含硬夹矸薄煤 层综采难题 ，该系统通过调整定量缸的行程 ，可以 实现不同的推进步距 。 [ 责任编辑 王兴库 】 f 3 ]李长江 ．液 支架 的计算机辅助 程分析 [ D]．济南 山东 大学 ，2 0 0 5 ． [ 4]袁 晓光 ．液压 支架技术现状及 发展趋势 [ J ]．科学之友 B 版 ，2 0 0 6 7 9 1 0 ． f 5 ]S h i Y u a n w e i ． R e s e a r c h o n t h e I n t e r a c t i o n B e t w e e n R o o f S t r a t a a n d S h i e l d S u p p o n s[ A]． 1 6 t h C o n f e r e n c e O n G r o u n d C o n t r o l i n Mi n i n g[ c]． Mo r g a n t o w n ，w v We s t V i r g i n i a U n i v ，1 9 9 7 ． [ 6 ]魏磊磊，陆 萍，乇理鹏 ．液』 支架销轴连接的约束处理 [ J ]． 矿t l l 机械 ，2 0 0 6 6 ． [ 责任编辑王兴库] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m