新型采煤液压支架受力有限元分析及优化.pdf

2 0 1 5 年第3 期 中州煤炭 总第2 3 1 期 新型采煤液压支架 受力有 限元分析及优化 曹建波 ， 聂 守江 河 南能 源化 工集 团 永煤 公 司新 桥 煤 矿 ， 河 南 永 城4 7 6 6 0 0 摘要 新型采煤液压支架结构较传统的液压 支架 复杂 ， 参照传 统支架 的设计原 则设计 固体 新型采 煤液压 支 架 ， 采用 P r o ／ E三维制 图软件建立支架 的整体模 型， 通 过 I G S中间文件将 支架 的三 维实体模 型 导入 A N S Y S 软件 ， 再运用 A N S Y S有限元分析软件进行应力分析 ， 对 支架某些部件 出现局部 应力集 中 的部位 进行 强度等 级处理 ， 并对影响支 架 的主 要结 构 进 行优 化 分析 。实践 表 明， 优 化 后 的顶 梁最 大 应 力 降低 ， 质 量 减少 了 5 ． 8 1 ％ ， 应力集 中区域 明显减小 ， 达到 了较好的优化效果。 关键词 新型采煤 液压支架； 力 学分析 ； P r o ／ E建模 ； A N S Y S有 限元 中图分类号 T D 3 5 5 ． 4 文献标 志码 A 文章编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 5 0 3 0 1 0 6 0 3 Fi ni t e El e m e n t An a l y s i s o n Hy d r a ul i c S up po r t s Fo r c e o f Ne w Ty pe Co a l W i nn i ng M a c h i ne s a n d I t s O p t i m i z a t i o n C a o J i a n b o ， Ni e S h o u j i a n g X i n q i a o C o a l Mi n e o f Y o n g c h e n g C o a l I n d u s t r y C o ． ， H e n a n E n e r g y C h e m i c a l I n d u s t r y G r o u p C o ． ， L t d ． ， Y o n g c h e n g 4 7 6 6 0 0 ， C h i n a Abs t r a c t As mo r e c o mpl i c a t e d t h a n t r a di t i o n a l h y dr a ul i c s u pp o rts， t he h y d r a ul i c s u p po o f n e w t y pe c o a l wi n ni n g ma c hi n e s wa s d e s i g ne d r e f e r r i n g t o t h e d e s i g n p r i nc i p l e t h e t r a di t i o n a l o n e． Th e i nt e g r a t e d mo de l o f t he s u p po wa s bu i l t us i ng Pr o ／E s o f t wa r e ．Th e n， t he mo d e l wa s i n t r o d u c e d t o ANS YS s o f t wa r e t hr o ug h I GS mi dd l e fil e s ． Th e s t r e s s di s t r i b ut i o n o f t he mo de l wa s a na l y z e d b y ANSYS fini t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e ．Th e l o c a l s t r e s s c o n c e n t r a t i o n i n s o me s i t e s o f c o mp o n e nt s wa s a l s o c l a s s i f i e d b y t he s t r e n g t h g r a d e a n d t he ma i n s t r u c t ur e s we r e o p t i mi z e d．Pr a c t i c e s s h o w t ha t ， Th e ma x i mu m s t r e s s o f t h e o p t i mi z e d s u p po i s de c r e a s e d； t h e a r e a s wi t h s t r e s s c o n c e n t r a t i o n a nd t h e 5． 81 ％o f t h e t o t a l we i g h t a r e r e d u c e d． a nd a c h i e v e s g o o d o p t i ma l e f f e c t s ． Ke y wor ds hy d r a u l i c s u p po r t i n ne w t y pe c o a l wi n n i n g ma c hi ne s； me c h a n i c a l a n a l y s i s； Pr o ／E mo de l ； ANS YS fin i t e e l e me nt 综合 机 械 化采 煤 技 术 是 采 矿 工 程 新 的 发 展 方 向 ， 是绿 色开 采技 术 的分支 ， 该技 术 主要 针 对 目前 我 国“ 三下” 压煤严重及煤矸石大量堆积等 问题而提 出， 新型采煤液压支架是综合机械化采煤的核心， 由 于新型采煤液压支架 与传统液压支架的区别 明显 ， 对 其进行 数 值应 力分 析十 分必 要 。 1 支 架实体 建模 行 装 配 图 1 。 图 1支 架 的 三 维 模 型 运用 三 维制 图软 件 P r o ／ E 5 ． 0绘 制 出支 架 的零 篓 誓 姜 2 边 界 条 件 及 参 数 选 择 等 ，然 后 再 按 照 装 配 关 系 定 义 其 约 束 或 连 接 关 系 进 ⋯ 一 ⋯ ’ 。 。 。 收稿 日期 2 0 1 41 22 8 作者简介 曹建波 1 9 8 3 一 ， 男 ， 河北邢台人 ， 助理工程师 ， 2 0 0 7年毕 业 于中国矿业大学 ， 主要从事综合机械化 采煤及 矿压规律显 现研究 工作 ， 现任新桥煤矿副总工程师 。 1 0 6 将 支架 的整体 模 型 导人 到 A N S Y S进 行 有 限元 分 析 ， 并 对模 型进行 简 化 ， 对 分析 过程 中次 要元件 进 行忽略或等价代换 ； 对重点部件进行分析 ， 首先要确 定 模 型的单 元属性 ， 然 后进 行 网格划分 ， 生 成离 散有 限元模 型 。液压支 架整 架强 度试 验最 危 险的 3种 工 2 0 1 5年第 3 期 中州煤炭 总第 2 3 1 期 由图 2 C 可 以得 出 ， 支 架 整 体 位 移 最 大 值 为 3 5 ． 7 4 m m， 支 架 整 体 最 大 应 力 为 1 2 0 9 M P a 。 由顶 梁 的应力 云 图可 以看 出 ， 应 力 云 图 的 整体 分 布 关 于 顶 梁 的中间截 面基 本对 称 ， 载 荷两 端集 中分 布 ， 使 得 顶 梁 的前 部 铰接处 应力 值最 大 ， 达到 1 2 0 9 MP a 。 由 分析可知， 支架顶梁前端易出现应力集中 ， 在支架 的 设计 过程 中对此处 要进 行强度 等 级处理 。 4支架顶梁优化 顶 梁质量 约 占支 架 总 质 量 的 1 ／ 3 ， 有 必 要 对 其 进行 优化 设 计 。运用 A N S Y S有 限元 分 析 软 件 的 优 化设 计模 块进 行优 化 分 析 ， 对 顶 梁 进 行优 化 分 析 时 将质 量作 为优 化 的标 准 ， 由于 顶 梁 是 由材 料 相 同 的 金 属焊接 而 成 ， 所 以顶 梁 的优 化 最 终 转 化 为顶 梁 截 面 大小 的优化 。 以顶 梁 的 偏 载 作 为 有 限 元 分 析 的 基 础 ， 运 用 A N S Y S优 化设 计 器 ， 以顶 梁 的 截 面 积 最 小 ， 设 定 误 差 为 5 ％ ， 对顶梁 的筋 板厚 度 、 箱 体 大小 和 上 下盖 板 的厚度 进行 优化 ， 优化 数据 最终 结果 见表 3 。 表 3支 架 顶 梁 优 化 数 据 l 65 0 4 96 7 0． 0 00 1 3 O． 0O 3 90 ． O0 7 0． 0 00 6l 0． 0O 40 8 l O 0 0 2 64 2 7 26 6 8 23 5 1 2 6 I 3 3 86 ． 42 6 7． 2 4l 5 95 21 3 8 6 8】 O ．2 3 60 9 2 3l 6 9 2 47 l 28 ． 42 3 88 ． 26 6 8 3 24 6 0 4． 3l 3 9 7 7 52 ．2 4 64 7 2 61 6 8 08 0 l 25 01 3 86 ． 02 6 7 I O2 593 ． 08 3 8 4 7 32 0 5 6l 5． 2 2l 6 9． 00 5 1 2 8． 1 2 3 88 ． O5 6 8． 4 4l 6 02 ． 01 3 9 6 2 45 ． 0 由表 3中优 化数 据可 得 ， 优 化过 程进 行 5次 ， 通 过 分析 比较 可知 ， 第 4次 为最优 解 。 根 据 实 际 生产 要 求 ， 对 顶梁 设 计 变 量 的最 佳 优 化 结果 进行 工程 化处 理 ， 以利 于后期 的机 械加 工 ， 得 到圆 整后 的参 数 值 为 a l 6 9 mm， a 21 2 6 m m， a 3 3 8 7 I 1 “1 11 3 ． ， C 6 8 mm， h 5 9 4 mm。顶梁 优化 前 的截 面积 为 0 ． 4 0 8 1 m ， 优 化 后 的 截 面 积 为 0 ． 3 8 4 3 7 2 m 。质量 和横 截面 面 积成 正 比 ， 因此顶 梁 在 优 化 后 质 量减 轻 了 5 ． 8 1 ％ ， 优化 效 果 良好 。 通过对 比优化前 后顶 梁偏 载 的有 限元 等效应 力 云 图 图 3 ， 优 化 后 的 顶 梁 最 大 应 力 由 6 5 0 ． 4 9 6 MP a降低到 6 0 7 ． 2 6 1 MP a ， 最大位移值变化不太 明 显 ， 优 化后 的顶 梁结 构应 力 云图 中 ， 应力 集 中 的区域 明显 减小 ， 达 到 了较 好 的 优 化效 果 。有 限元 分 析 结 果表明 ， 优化设计后的顶梁应力、 位 移均符合 液压 支架通用技术条件 M T 3 l 2 2 0 0 0 的要求 ， 优化 1 08 后 的设 计更 加合 理 。 S EQ V AV 应力／ M P a 图 3优化后的顶梁等效应力云 图 5 结 论 1 运用 三 维 制 图软 件 P r o ／ E进 行 建 模 ， 通 过 对 固体新型采煤液压支架整体结构 的偏载 、 集 中载 荷 、 扭 转 的有 限元 应 力分 析 ， 得 出在偏 载 、 载荷 集 中 、 扭 转 工况 下支架 出现 局 部 应力 集 中 ， 应 力 集 中部 位 应焊 接较 高强 度 的板 材 或者对 此处 进行 加厚 处理 。 2 通 过对 顶 梁 进 行 优 化 ， 优 化 后 的 顶 梁 质 量 减轻 了 5 ． 8 1 ％ ， 最 大应 力 降 低 6 ． 6 5 ％ ， 应 力 集 中 区 域 明显减 小 ， 达 到 了较好 的优 化效 果 。 参 考文献 [ 1 ] 缪协兴． 综合机械化 固体采煤 矿压控制 原理 与支架受 力分 析 [ J ] ． 中国矿业 大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0， 3 9 6 7 9 5 8 0 1 ． [ 2 ] 王悦汉 ， 乎寿康． 液压支架初撑力的研究 [ J ] ． 中国矿业 大学学 报 自然科学版 ， 1 9 8 2， 1 1 4 2 3 - 3 3 ． [ 3 ] 康立军． 综放开采 顶煤应变软 化特性对 支架 载荷 限定作用 的 研究 [ J ] ． 煤炭学报 ， 1 9 9 8 ， 2 3 2 1 4 0 1 4 4 ． [ 4 ] 段 昌瑞 ， 周华强 ， 孙祺 ， 等． 支架顶梁强度有限元分析 [ J ] ． 煤矿 机 电 ， 2 0 1 0 1 7 1 - 7 2 ． [ 5 ] 刘 洁， 张和平． 基于 A N S Y S参 数化语 言的机 械结 构优化 设计 [ J ] ． 沈 阳化工学院学报 ， 2 0 0 4 3 2 0 4 2 0 8 ． [ 6 ] 魏宏伟 ， 王启广 ， 洪建 云， 等． 基于 Ma t l a b的液压支架顶 梁断面 参数优化设计 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 0 9 1 3 ． [ 7 ] 毕锦明． 物料 开采液压 支架 的研 究 [ J ] ． 煤 炭科学 技术 ， 2 0 1 0 ， 3 8 1 1 8 5 -9 0 ． [ 8 ] 王忠宾 ， 赵啦啦 ， 李舒斌 ， 等． 支撑掩 护式 液压支架 的优化设计 [ J ] ． 重庆大学学报 ， 2 0 0 9 9 3 7 - 4 2 [ 9 ] 林 清安． 完全 精通 P r o ／ E N G I N E E R野 火 5 ． 0中文版零 件设计 基础入门[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 1 0 ． [ 1 O ] 王家臣， 杨胜 利． 固体 开采 支架与 围岩关 系研 究 [ J ] ． 煤 炭学 报 ， 2 0 1 0 ， 3 5 1 1 1 8 2 1 1 8 2 6 ． 责任 编辑 刘 欢欢