基于ANSYS的超静定液压支架立柱有限元分析.pdf

总第 1 4 7期 2 0 1 5年第 5期 设 计试 验 机械 管理 开发 M ECHANI CAL M ANAGEM ENT AND DEVELOPM ENT To t a l o f 1 4 7 NO ． 5 2 0 1 5 基于 A N S Y S的超静定液压支架立柱有限元分析 孙 江鑫 同煤集 团雁崖 煤 业有 限公 司 ，山 西大 同0 3 7 0 3 1 摘 要 通 过 对超静 定 液压 支架进行 三 维模 型构 建 ，并采 用单 向流 固耦 合方 法对 其 立柱进 行 有 限元 分 析 ，可知 超静 定液 压 支架应避 免 长期 处 于冲 击载 荷 工 况 下 ，且 对 立 柱 缸 体 出现 应 力 集 中给 出 了改 进 措施 ，这 为改善其 结 构设计 和提 高工作性 能提 供 了理论 依据 。 关键 词 超静 定液 压 支架 ；流 固耦合 ；有 限元 中图分 类号 T D 3 5 5 ． 4 文 献标识 码 A 文章 编号 1 0 0 3 ． 7 7 3 X 2 0 I 5 0 5 ． 0 0 0 8 ． 0 3 DOI 1 0 ． 1 6 5 2 5 ／ j ． c n k i ． c n1 4 ． 1 1 3 4 ／ t h ． 2 01 5 ． 0 5 ． 0 0 3 引 言 目前 ， 我 国薄及 较薄 中厚煤 层 开采 面 临着 开 采难度大 、 支 护设 备 缺 、 经济 效益 差 等严 峻 问题 ， 对 国内薄 煤 层综 采 技 术 的发 展 造成 了严 重 的影 响_ 1 。 ] 。为 了满足薄煤 层综采 支护 开采 的要 求 ， 以 及结合现有 液 压支 架 的结构 形式 ， 中 国矿业 大 学 引用超静定 结 构理 论 ， 研制 了一 种超 静 定 液压 支 架[ 4 ] 。本 文基 于此液 压支 架 ， 对 其立柱 进行 分析 ， 以对优化结构和提高工作性能提供 理论依据 。 1 超静定液压支架模型 超静定液压支架 主要 由顶 梁、 伸缩梁 、 前梁 、 尾 梁、 底 座、 悬浮立柱 等部件构成 ， 其 结构模 型如 图 1 所示 。薄煤层超静定液压 支架 具有 以下结构特点 支架能实现大调高范 围； 密集支 护 ， 工作阻力大 ； 可 适用于不 同的开采方式 ； 支架抗冲击地压能力强 ； 顶 梁的运动轨迹为垂直直线 ． 力 Ⅱ 工 制造容 易 ， 成本低 。 依据该超静定液压支架所具有 的结构特点 ， 将能很 好解决 目前我国液压支架所存在 的整体 可靠性差 、 生产技术落后 、 综采面开机率低等 问题 。 2 流 体 动 力学 分 析 流 程 超静定液 压支 架 的立 柱 为悬 浮 式液 压立 柱 ， 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 0 2 作者 简介 孙 江 鑫 1 9 8 6 一 ， 男 ， 陕 西 韩 城 人 ， 毕业 于华北科 技 学 院 电 气工 程及 其 自动 化 ，助 理 工 程 师 ，现 主要 从事 煤炭 综合 开采 工作 。 图 1 超静 定液 压 支架 与传 统的立柱相 比， 其缸体 和活柱里 均为乳 化液 。 当承受外 载荷 时 ， 立 柱 内 的液 体 压强 会 瞬 间作 用 在立 柱缸壁 上 ， 其缸 体 和活 柱壁 上将 承 受 高压 液 体 的作 用 。本 文 应 用 ANs YS中 的流 体 动 力 学 C F D 模块 对立 柱受 载情 况 进 行模 拟 分 析 ， 其 仿 真 流 程 如 下 所 示 [ 5 ] 1 剖析问题 。确 定 问题 的性质 ， 明确要 求解 的方程和方程类型 。 2 几何建 模 。几何模 型是 流体动力 学分析 的 基础 ， 可通过外部 三维建模 软件导 人几何 模型 ， 也 可用 ANS YS中建模模块进行三维模型构建 。 3 划 分 网格 。即是 将 求解 区域 离散 化 的过 程 ， ANS YS中集 成 了多种 网格 划 分软 件 ， 其 网格 划分功能极为强大 。 4 前 处 理 。对 求 解 区域 进 行 详 细 的物 理 定 义 ， 包括物理模型 、 材料属性 和边界条件 等。 5 进行求解 。设 置求 解 的相关 参数 ， 并 选择 S o l v e r进行 求 解 。 6 后 处理 。在 ANS YS中可用 C F D - P r o进行 1 0 机械管理开发 j x g l k f b j b 1 2 6 ． C O rn 元分析 ， 结果 表 明 在 实 际工作 过 程 中 ， 应 避免 超 静定液压 支架 长期 处 于 冲击 载 荷作 用下 ， 且应 对 立柱缸体 边缘 处进 行倒 角处 理 ， 以减 缓 应力 集 中 的作用 ， 这为 改善其 结 构 和提 高工作 性 能提 供 了 理论依据 。 [1 ] [2 ] [ 3] [ 4] [5] 参 考 文 献 段红 民． 薄及较 薄中厚煤层 综合机 械化长 壁开采研 究 [6 ] E J ] ． 中国矿业 ， 2 0 0 9 1 O 7 5 7 7 ． 梁洪光． 薄煤层综采技术 发展 现状 E J ] ． 煤矿开采 ， 2 0 0 9 1 9 - 1 2 ． 第 3 0卷 李建平 ， 杜长龙 ， 张永 忠． 我 国薄与极 薄煤层 开采设 备 的现状和发展 趋 势 [ J ] ． 煤炭 科 学 技术 ， 2 0 0 5 6 6 5 6 7． 李炳 文 ， 赵 继云 ， 王 建武 ， 等． 超 静定 液 压支架 中 国 ， C N2 0 1 2 3 2 5 6 5 [ P ] ． 2 0 0 9 0 5 0 6 ． S u n J i e ，Xi n J u n ．Hy d r a u l i c Z Y6 4 0 0 ／ 1 2 ． 5 ／ 2 8 D s t e n t t e c h n o l o g y r e s e a r c h，C o a l M i n e M a c h i n e r y，2 0 1 0，3 1 3 8 7 - 8 9 ． 浦广 益． ANS Y S Wo r k b e n c h 1 2基 础教 程 与 实例详 解 E M] ． 北 京 中国水利水 电出版社 ， 2 0 1 0 ． 编辑 刘亚婧 The Fi ni t e El e me n t Ana l y s i s o n t he St a t i c a l l y I nd e t e r mi na t e Hy dr a u l i c S u pp o r t Ba s e d o n ANS YS S u n J i a n g x i n Ya n y a Co a l I n d u s t r y Co ． ， Lt d ．o f Da t o n g Co a l M i n e Gr o u p，Da t o n g S h a n x i 0 3 7 0 3 1 [ Ab s t r a c t ] T h r o u g h t o t h e s t a t i c a l l y i n d e t e r mi n a t e h y d r a u l i c s u p p o r t t o b u i l d t h e 3 d mo d e l a n d US E S t h e u n i f l o w s o l i d c o u p l i n g me t h o d h a v e c a r r i e d O n t h e f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s t o t h e p i l l a r ，k n o wn s t a t i c a l l y i n d e t e r mi n a t e h y d r a u l i c s u p p o r t s h o u l d b e a v o i d e d un de r i m p a c t l oa d c on di t i o n f or a l o ng t i me，a nd i m p r o v e me nt m e as ur e s a r e pr o vi de d f or t he p i l l a r c y l i n de r b ody a p pe a r s t r es s c o n c e n t r a t i o n，i t t o i mp r o v e i t s s t r u c t u r e d e s i g n a n d p r o v i d e s t h e o r y b a s i s f o r i mp r o v i n g wo r k p e r f o r ma n c e ． [ K e y wo r d s ] s t a t i c a 1 l y i n d e t e r mi n a t e h y d r a u l i c s u p p o r t ； f l u i d s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n ； f i n i t e e l e me n t 上 接 第 7页 明 截齿及齿座产生 的变形量 较小 ， 对 掘进机 性能 影响不大 ； 截齿 齿尖 及截 割头 焊 接等 部位 产生 较 大的应力 ， 对掘 进机 截割 性能 和使 用 寿命 造成 不 利影响 ， 这 为改 善掘 进机 截割 机 构设计 和提高 其 工作可靠性提供了理论参考 。 [ 1] [2] 参 考 文 献 汪胜 陆 ， 孟 国营 ， 田劫 ， 等． 悬 蔡文 安 ， 杨 兆建 ， 高 红斌． 悬臂式 掘进机 回转 机构有限元优化研 究综 述E J ] ． 机 械 管理开发 ， 2 0 1 2 5 1 - 2 ； 5 ． 臂式掘进 机 的发 展状 况 及 趋 势m J ] ． 煤 矿 机械 ，2 0 0 7 [3 ] [ 4] [ 5] [ 6] 6 l 一 3． Y． M a ．De s i g n a n d Dy n a mi c An a l y s i s o f a Ca r r i e r B l o t B a s e d o n ADAMS r M ] ．Ad v a n c e d Ma t e r i a l s Re s e a r c h，2 01 2 6 1939 3 3 96 ． 李晓豁 ， 刘兴 刚． 纵横轴式掘进机截割头载荷的模拟分 析[ J ] ． 辽 宁T 程 技术 大 学 学报 自然科 学 版 ，2 0 0 8 5 7 4 5 7 4 7 ． 刘 萍． 掘进机 截 割臂 静力 学 特性 研究 [ J ] ． 煤 矿 机械 ， 2O1 4 2 61 - 6 3． 申丽兵 ， 崔 卫秀 ． 基 于 ANS YS的 E BZ 2 O O型 掘进 机 回转 机 构 的有 限元分析r J ] ．机械管理开发 ， 2 0 1 3 1 1 4 3 1 4 4 ． 编辑 刘亚婧 The Fi ni t e El e me nt An a l y s i s o n t h e Cu t t e r To o t h o f t he M a c hi n e Ba s e d o n ANS YS Du Hu i y u Ya n y a Co a l I n d u s t r y Co ． ， Lt d ． o f Da t o n g C o a l M i n e Gr o u p ，Da t o n g S h a n x i 0 3 7 0 3 1 [ Ab s t r a c t ] I n o r d e r t o s t u d y t h e ma c h i n e c u t t i n g t e e t h o n i t s w o r k i n g p e r f o r ma n c e a n d s e r v i c e l i f e ，b y a p p l y i n g ANS YS c u t t e r t o ot h l oa d an d f i ni t e e l e me nt a n al y s i s was c a r r i e d ou t un de r no r m a l c o nd i t i o ns a na l y s i s，e xp l o r e s t he c u t t e r t oo t h d e f or ma t i o n a nd s t r e s s d i s t r i b u t i o n，a n d t h e we a k p a r t s a n d r e a s o n s a r e a n a l y z e d ，t h e i n o r d e r t o i mp r o v e t h e c u t t i n g me c h a n i s m d e s i g n a n d i mp r o v i n g i t s wo r k i n g r e l i a b i l i t y p r o v i d e s a t h e o r e t i c a l r e f e r e n c e ． [- K e y wo r d s ] ma c h i n e ；c u t t e r t o o t h ；w o r k p e r f o r ma n c e