基于ANSYSWorkbench的液压支架推移杆有限元分析.pdf

第 6期 总第 1 8 1 期 2 0 1 3年 l 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E CHANl CAL E NGI NEER1 NG AUTOMATI ON NO ．6 De c ． 文章 编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 3 0 6 - 0 0 1 1 0 2 基于 ANS YS Wo r k b e n c h的液压支架推移杆有限元分析束 田虎楠 。 ”，王作 棠 。 ，辛 林 。 ，黄 温钢 。 ，张 朋 ，王建华 。 1 ． 中国矿业大学 煤 炭资源与安全开采 国家重点实验 室，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ；2 ． 中国矿 业大学 矿业工程 学院 ，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 ；3 ．新疆 大学 机 械工程 学院，新疆 乌鲁木齐8 3 0 0 0 8 ；4 ．徐州 中澳 能源科 技有 限公司，江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 通过在 S o l i d Wo r k s中对液压支架推移杆进行 三维实体建 模和在 AN S Y S Wo r k b e n c h中的有 限元分 析， 不仅得到 了井下 3种常见工况下推移杆上最大 应力和最 大变形量 以及其存在的危险部位．还 找到 了推 移机构 初步设计的结构缺 陷，结果证 明在机械零部件设计 中应力集 中不可 忽略。 关键词液压支架 ；推移杆 ；ANS Y S Wo r k b e n c h ；有限元分析；应力集 中 中图分类号 TD 3 5 5 ． 4 TP 3 9 1 ． 7 7 文 献标识码 A 0 引 言 液压支架是煤矿重要 的综采机械设备之一 ， 其 主 要作用是推移刮板机 、 采煤机和支护顶板等。液压支 架推移机构是液压支架 的关键组成部分， 包括长推移 机构和短推移机构两种形式。组合式推移机构属于长 推移机构 ， 主要 由推移千斤顶、 组合式推移杆 、 连接头 和销轴组成， 其作用是推溜、 移架和拉后溜[ 1 ] 。 1 推 移杆 的 三维实 体建 模 液压支架推杆大部分是由钢板组焊而成的箱型结 构件L 2 ] ， 结构不算太 复杂。为提高数值模 拟的精度 和减少计算机的迭代次数 ， 在进行有限元三维 实体建 模前有必要对推杆进行合理的简化 忽略对推移杆强 度分析影响不大的筋板 、 导向板 、 导向轴 、 焊缝坡 口等 。 在此原则下利用 S o l i d Wo r k s 建立 了组合式推移杆三 维实体模型 ， 如图 l 所示 。 图 1 组 合式 推 移 杆 三 维 实 体 模 型 2材料 选取 和 网格 划 分 液压支架推杆在井底 的实际受力十分复杂 ， 为了 保证有 足够 的强 度、 刚 度和 塑性 ， 推杆 的材 料选 用 Q4 6 0 ， 屈服强度 一4 6 0 MP a ， 弹性模量 E2 0 0 GP a ， 泊松 比 0 ． 2 8 ， 密度 』D 7 8 5 0 k g ／ m。 。 不考虑焊缝对推移杆有 限元分析的影响， 将推移 杆作为一个实体进行整体 的网格 自由划 分， 网格类型 选用 具有 蠕变 、 膨 胀 、 塑性 、 大变形 、 应力 强大 和 大应 变 能 力 的 S o l i d 4 5单 元 ， 网 格 尺 寸 为 3 2 ． 5 ， 网 格 数 为 3 7 8 8 9个。推移杆网格划分如图 2所示 。 图 2推 移 杆 网 格 划 分 3 推 移杆 的受力 分析 将在 S o l i d Wo r k s [ 4 中建立的三维实体模型导入 到专业的有限元分析 软件 ANS Y S Wo r k b e n c h [ 。 中， 根据液压支架推杆的实际使用工况和受力特点， 采用不 同的约束和载荷对其强度进行有限元分析。本文主要 对液压支架井下常见的 3 种工况进行有限元分析口 ] 。 3 ． 1 工 况一 组合式推 移杆 推移 输送机 由推移 千斤 顶的技术 特征 可知， 在泵站 压力 为 3 1 ． 5 MP a时， 千斤顶的最大推溜力为 3 6 1 k N， 在组合 式推移杆推移输送机即推溜工况下， 组合式推移杆受 压， 推移杆右端为 固定约束 。此工况下的有限元分析 结果如 图 3和图 4 所 示 。 3 ． 2 工 况二 组合 式推 移杆拉 液压 支架 在 泵站 压力 为 3 1 ． 5 MP a时 ， 千 斤 顶 的 最 大 拉 架 力为 6 3 3 ． 5 k N， 在组合式推移杆拉液压支架工况下组 煤炭资源与安全 开采 国家重点实验室资助项 目 S KL C RS M1 0 X 0 4 收稿 日期 2 0 1 3 0 5 0 9 ；修回 日期 ；2 0 1 3 0 5 2 0 作者简介 田虎楠 1 9 8 5 一 ，男 ，河南许 昌人 ，助理研究 员，硕 士，主要研究方向 矿山机械和地下煤气化技术 。 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 3年 第 6 期 机 械 工 程 与 自 动 化 本着刀盘所受应力最小 、 变形最小的原则 ， 综合分 析选取方案二为最终优化方案。表 3为不同岩石边界 下原始方案与优化方案二最大应力、 变形对 比结果 。 表 3 不同岩石边界下原始方案与优化方案二 的 最 大 应 力 、 变 形 值 对 比 岩石边界条件及方案 应 力 MP a 变形 ram 优 化模 型 1 9 4 ． 2 5 0 ． 3 9 1 4 8 花 岗片麻岩 原 始模 型 2 5 7 ． 6 l 0 ． 3 8 9 0 1 优 化模 型 3 8 ． 2 4 2 0 ． 0 7 7 0 6 4 泥质粉砂岩 原 始模 型 5 O ． 9 3 1 0 ． 0 7 6 6 8 优 化模 型 2 9 0 ． 7 6 0 ． 5 8 6 0 5 混合花岗岩 原 始模 型 3 8 3 ． 2 5 0 ． 5 8 2 0 2 优化模型 4 4 6 ． 6 1 0 ． 8 9 0 9 3 极限工况 原 始模 型 6 0 5 ． 8 6 0 ． 9 0 4 4 7 由表 3可知 ， 优化 模 型 在 4种 边界 条 件 下 在 最 大 变形相 近 的情况下 的最 大应 力 均小 于原 始 模 型 ， 相 比 于原始方案 ， 在刀盘最大变形量几乎相同的前提下 ， 优 化方案二在 4种边界条件下刀盘最大等效应力分别降 低了 2 4 ． 5 、 2 4 9 ／ 6 、 2 4 ． 2 、 2 6 ． 2 。应力的大幅度减 小 ， 使整个刀盘的使用寿命、 工作稳定性及排屑效率都 得到进一步的提高 。 4结论 本文综合考虑刀盘支撑筋支撑和出碴 的功能 ， 建 立了以刀盘强度和刚度为优化 目标的刀盘支撑筋布置 优化设计模型 ， 基于 Wo r k b e n c h平 台采用神经网络拟 合方法建立了刀盘强度和刚度与刀盘支撑筋位置之间 的映射关系 ， 进而采用 NS GA多 目标优化方法进行 了 有效求解 。结果表明 3种岩石边界和极限工况下 ， 优 化求解的方法在刀盘强度和刚度方面均优于原始方案 ， 为 T B M 刀盘支撑筋结构设计提供了一种新的思路。 参考文献 [ 1 ] 夏毅 敏 ． 卞章 括 。 暨智 勇 ， 等． 复 合式 土 压平 衡盾 构 刀盘 C A D系统开发[ J ] ． 计算机工程与应用 ， 2 0 1 2 ， 4 8 3 6 6 4 - 6 9 ． [ 2 ] 谭青 ， 张魁 。 夏毅敏 ， 等． T B M 刀具 三维 破岩 仿 真[ J ] ． 山 东大学学报 ， 2 0 0 9 6 7 2 7 7 ． [ 3 ] 苏翠侠， 王燕群， 蔡宗熙， 等． 盾构刀盘掘进载荷的数值模 拟 [ J ] ． 天津大学学报 ， 2 0 1 1 6 5 2 2 5 2 8 ． [ 4 ] 苏翠侠 ． 蔡 宗熙 。 王燕群 ， 等． 基于数值仿 真 的盾构 刀盘载 荷影响 因素分析[ J ] ． 机械设计与研究 ， 2 0 1 2 4 6 6 6 9 ． [ 5 3 李震 ． 霍军 周 ， 孙伟 ， 等． 全断面岩石掘 进机刀 盘结 构主参 数 的优化设计[ J ] ． 机械设计与研究 ， 2 0 1 0 9 8 3 9 0 ． [ 6 3 B a l l i n g R J ， S o b i e s z c z a n s k i S J ．O p t i mi z a t i o n o f c o u p l e d s y s t e ms V j ] ． A I AA J o u r n a l 。1 9 9 6 。 3 4 1 6 - 1 7 ． [ 7 ] Z h a o J ．G o n g Q M，E i s e n s t e n Z ．Tu n n e l i n g t h r o u g h a f r e q u e n c y c h a n g i n g a n d mi x e d g r o u n d [ J ] ． Tu n n e l i n g a n d Un d e r g r o u n d S p a c e Te c h n o l o g y ，2 0 0 7， 2 2 3 8 8 - 4 0 0 ． [ 8 3 P o t t e r M A． De J o n g K A． A c o o p e r a t i v e c o e v o l u t i o n a r y a p p r o a c h t o f u n c t i o n o p t i mi z a t i o n [ G] ／ ／P r o c e e d i n g s o f t h e Th i r d Co n f e r e n c e o n P a r a l l e l Pr o b l e m S o l v i n g f r o m Na t u r e ．J e r u s a l e m [ s ． n ． ] ， 1 9 9 4 2 4 9 2 5 7 ． [ 9 3 刘启山． 岩石隧道掘进机 TB M 施工及工程实例 [ M] ． 北 京 中国铁道 出版社 ， 2 0 0 4 ． Opt i ma l De s i g n o f S u p po r t Ba r Lo c a t i o n o f TBM Cu t t e r He a d SANG S o ng - l i n g C h i n a R a i l wa y 1 8 t h B u r e a u Gr o u p t h e F i f t h E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ，T i a n j i n 3 0 0 4 5 9 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s i n g o n t h e f u n c t i o n s o f t h e TBM c u t t e r h e a d s u p p o r t b a r ，t h i s p a p e r s e t u p t h e t h r e e - d i me n s i o n a l mo d e l o f s u p p o r t b a r o f a TBM c u t t e r h e a d ，a n d a n a l y z e d t h e f o r c e o n TBM c u t t e r h e a d ．Th e n，t h e p a p e r e s t a b l i s h e d t h e s i m p l i f i e d o p t i m i z a t i o n mo d e 1 。t o c a r r y o u t t h e o p t i ma l d e s i g n o f s u p p o r t b a r l o c a t i o n o f TBM c u t t e r h e a d o n t h e b a s i s o f t h r e e r o c k b o u n d a r y c o n d i t i o n s a n d o n e e x t r e me c o n d i t i o n ．Th e r e s u l t s s h o w t h e o p t i ma l d e s i g n s c h e me i s b e t t e r t h a n t h e o r i g i n a l o n e ． Ke y wo r d s f u l l f a c e r o c k t u n n e l i n g b o r i n g ma c h i n e ；s u p p o r t b a r o f TBM c u t t e r h e a d ；s t r u c t u r e p a r a me t e r s ；o p t i m a l d e s i g n 上 接 第 1 2页 Fi ni t e El e me nt An a l y s i s Ba s e d o n ANS YS W o r k b e n c h f o r Pu s h Ba r T I AN Hu - n a n ’ 。 一．W ANG Z u o - t a n g ，XI N Li n ，HUANG W e n - g a n g 。ZHANG P e n g 一．W ANG J i a n - h u a 1 ．S t a t e Ke y La b o r a t or y o f Co a l Re s o u r c e s a n d S a f e Mi n i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c hn o l o g y，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6，Ch i n al 2 ． S c h o o l o f Mi n e s ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ,3 ．C o l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g ，Xi n j i a n g Un i v e r s i t y ，Ur u mq i 8 3 0 0 0 8，Ch i n a；4 ． Xu z h o u Zh o n g ’ fl o Ene r g y Te c hn ol o g y Co ．，Lt d．，Xu z h o u 2 2 1 00 8 ．Ch i n a Ab s t r a c t A t h r e e - d i me n s i o n a l mo d e l wa s s e t u p f o r t h e p u s h b a r o f a h y d r a u l i c s u p p o r t u s i n g S o l i d W o r k s ，a n d t h e f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s a n d r e s e a r c h o n t h e p u s h b a r wa s c a r r i e d o u t b y ANSYS W o r k b e n c h ． Th e s t r e s s a n d d i s p l a c e me n t d i s t r i b u t i o n o f t h e p u s h b a r i n t h r e e c o mmo n c o n d i t i o n s we r e o b t a i n e d．a n d t h e s t r u c t u r e d e f e c t s o f t h e p u s h b a r i n t h e p r e l i mi n a r y d e s i g n we r e f o u n d O U t ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n c a n n o t b e i g n o r e d i n me c h a n i c a l p a r t d e s i g n ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s u p p o r t ；p u s h b a r ；ANS YS W o r k b e n c h；f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s ；s t r e s s c o n c e n t r a t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m