浅谈液压支架结构件的强度计算及其有限元分析.pdf

第 l 8卷 第 1期 总第 1 1 0期 2 0 1 3年 2月 煤矿 开 采 C o a l mi n i n g T e c h n o l o g y V o 1 ． 1 8 N o ． 1 S e ri e s N o ． 1 1 0 F e b r u a r y 2 0 1 3 浅谈液压支架结构 件的强度计算及其有限元分析 马端志 天地科技股份有限公司 开采设计事业部 ，北京 1 0 0 0 1 3 [ 摘要] 用有限元法分析Z Z S 4 6 0 0 ／ 1 3 ／ 2 5型液压支架在顶梁两端集中加载工况下顶梁所受应 力的情况，并与传统力学计算方法计算结果进行比较，认为有限元技术应用于液压支架设计工作中是 可行和必要的。 [ 关键词] 有限元分析；顶梁；应力 [ 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 3 0 1 ． 0 0 2 8 ． 0 3 S t r e n g t h Ca l c u l a t i o n a n d F i n i t e - e l e me n t An a l y s i s o f S t r u c t u r a l Co mp o n e n t s o f P o we r e d S u p p o r t 在液压支架的设计过程中，为确保各结构件有 足够的强度 ，需根据我国型式试验规范中对各部件 进行强度计算。由于传统的力学计算方法主要是对 危险断面进行计算，很难对结构件整体应力分布情 况进行分析，因而对结构件整体应力分布情况难有 准确地了解。有限元分析法能够形象、直观展现出 结构件任意位置处的应力值，为结构件的优化设计 提供理论依据。 本文以 Z Z S 4 6 0 0 ／ 1 3 ／ 2 5型支撑掩护式液压支架 为例 ，运用有限元分析法和传统力学计算方法分析 支架在 2 2 0 0 mm高度时顶梁两端承受集中载荷工况 下顶梁所受应力 的分布情况 。 1 用有限元法分析顶梁所承受的应力 1 ． 1 有限元分析法简述 有限元分析法的基本思路是通过连续体离散化 的方法，将物体假想地分割成有节点连接起来的许 多小单元，根据所给的边界条件求得各节点所需求 物理量的数值解。有限元分析法物理概念清晰，在 工程设计中能够满足高效、高速、高精度、低成本 等现代化发展的需求 ，能够灵活妥善处理各种复杂 的工程 问题。近年来 ，有限元法 的发展 已 日趋 成 熟， 但在液压支架设计领域的推广和应用还仍处于 摸索阶段 J 。 1 ． 2 顶梁两端集中加载工况边界条件 液压支架通用技术条件对一般 支架型 式试验 、 强度试验规定了十几种加载工况。运用有限元法可 以对液压支架整体进行分析计算 ，计算周期 比较 长；对单个结构件进行分析计算，虽然计算快，但 需要知道结构件的具体边界条件。 用有 限元分析法分析顶梁 两端集 中载荷工况 受载情况如图 1 下顶梁结构件应力分布情况时， 顶梁与掩护梁铰接孔处的边界条件可以视为顶梁的 外载，垫块 A和垫块 B的作用当作边界约束条件 处理 ，即 A的上平面与 B的上平 面固定 ，A垫 块和 B垫块的下平面与顶梁之间为接触面对 。 I l A B、 ／ ．- 一l 5 0 图 1 顶梁 两端集 中加载 示意 1 ． 3 顶梁外载 由于将垫块作为结构的边界约束处理，因此 ， 对液压支架的顶梁来说 ，其外载为转化 4根立柱和 掩护梁所施载荷。表 1为支架在 2 ． 2 m高度时 ，立 柱倾向、工作阻力及掩护梁施加力。 1 ． 4 有限元法分析顶梁两端集中加载工况 表 1 支架运动与受力计算结果 1 ． 4 ． 1 顶梁网格的划分 对支架结构件进行静态结构分析时 ，网格划分 [ 收稿 日期]2 0 1 2 0 9 1 7 [ 作者简介]马端志 1 9 8 0 - ，男，山东乐陵人 ， 助理研究员，从事液压支架设计研究工作o 28 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 总第 1 1 0期 煤矿 开 采 2 0 1 3年第 1期 高1 ．／ {卜＼7、 ／ ／ ／ j ， 一 { ／ 毹 、 ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ 、 ＼ ＼ ‘ ＼ ＼ 、 、＼1 ， 、 ， ＼ 、 一 “ - 1 ， ，I ， ，，、 、 一 ＼ 3／ 一 f ， ／＼ ＼ 、＼1 1 4 5 一 ． 3 1 0 ． 一 4 3 0 r 】 4 一 一 - 7 ’ 1 4 6 0 y 图7 顶梁前柱窝处断面 面积；置 ， 为板元左上角相对 0点的坐标； X ， 弯曲应力；M 为最大弯矩。 为板元右下角相对 0点的坐标； 为 i 单元板 表 2 列出了各板元的计算结果，根据这些值能 厚度；Y o 为i 板元的中性轴到O X轴的距离； 为 够求得各板元所受的应力，根据公式 8 可知， 截面中性轴的y坐标值；】 ， c 为 i 板元中性轴到截面 该断面 顶板 和腹板应 力值 最大，其 最大值 为 中性轴的距离 ；J为截 面惯性矩 ； 为截 面最大 3 0 6 MP a 。 表 2 顶梁前柱 窝断面各 板元计算 结果 3结束语 有限元法的分析结果与传统力学计算法所计算 结果基本一致 ，但有限元分析法能够形象 、直观 、 全面地分析支架结构件各部位的应力，有利于支架 优化设计，使支架结构件具有等强度、等寿命 、高 可靠性、重量轻的特点，在提高支架性能的同时， 较大幅度降低支架的重量及其制造成本。有限元分 析法在液压支架的设计中还处于起步阶段 ，随着三 维设计技术的全面推广和应用，有限元技术将成为 液压支架设计 、研究必不可少的有利工具 。 [ 参考文献] [ 1 ]马端志，宋德军 ．有限元分析法在液压支架设计中的应用 [ A ]．中 国科 协 2 0 0 5年 学 术 年 会 第 2 0分 会 场论 文 集 [ C ]． 2 0 0 5 ． [ 2 ]马端志， 宋德军，杨保 良． 液压支架整架非线性有限元分析 [ J ]．同煤科技 ，2 0 0 6 4 1 - 2 ． [ 3 ]刘建英 ，刘 军 ． Z F 7 2 0 0型放 顶 煤液 压 支架 的有 限元 分析 [ J ]．煤矿开采 ，2 0 1 2 ，1 7 1 7 2 - 7 4 ． [ 4 ]宇迪 ，陈新 中，黄永志 ． Q Y 2 0 0 ／ 1 4 ／ 3 1型液压支架关键部件 有限元分析 [ J ]．煤矿开采，2 0 1 1 ，1 6 3 1 0 7 - 1 1 0 ． [ 5 ]王国法 ．液压支架技术[ M] ．北京煤 炭工业 出版社， 1 9 9 9 ． [ 责任编辑 徐亚军] 上接 3 2页 3现场 应用 基于嵌入式的刮板输送机链条张紧控制系统经 安装调试后已在石槽村煤矿稳定运行了 4个月。井 下泵 压 为 3 1 ． 5 MP a ，张 紧装 置 调 定 输 出 5 ． 5～ 6 ． O M P a ，链条每天以 2～ 3 m m伸长，并经过了 1 次截链子操作，在运行期间一直处于稳定状态，未 出现卡链或断链情况。相比过去的方式首先使链条 的日 伸长量减少，延长了截链子的时间，同时避免 了由于链条过松卡链造成 的停机现象 。 4结束语 实践证明，这套系统能够有效地对刮板运输机 3 0 的油缸位置进行调整 ，从而使链条处于正常工作状 态 ，即不会太紧也不会太松 ，不仅延长 了机器的使 用寿命 ，还减轻了工人的劳动强度 。该系统的投入 使用对煤矿井下 自动化 、无人化的进展具有积极 的 意义。 [ 参考文献] [ 1 ]毛君，吴平稳，张东升．刮板输送机机尾伸缩装置的理论研 究 [ J ] ．起重运输机械 ，2 0 0 4 1 1 ． [ 2 ]汪爱明，盂国营，李国平，等 ．刮板输送机伸缩机尾电液控 制系统的研制 [ J ]．煤炭工程 ，2 0 0 8 1 ． [ 3 ]刘克铭 ，徐广 明 ．刮 板输送机链 条张力测控 系统设计[ J ]． 起重机械运输 ，2 0 0 9 8 ． [ 责任编辑 徐亚军] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m