基于FEA的煤矿液压支架典型工况分析.pdf

机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 网址 电邮 hrbengineer圆园20 年第 8 期 基于FEA的煤矿液压支架典型工况分析 代立明 （山西天地煤机装备有限公司， 太原 030006） 摘要以ZT6500/19.5/34型液压支架为例， 对简化后的液压支架通过三维软件SolidWorks进行三维建模， 将三维模型导 入到有限元分析软件ANSYS中； 最后对液压支架的4种工况进行力学强度分析。 关键词液压支架； 有限元分析 中图分类号TP 391.7文献标志码A文章编号 员园园圆原圆猿猿猿 （圆园20） 08原园125原园2 Analysis of Typical Working Condition of Coal Mine Hydraulic Support Based on FEA DAI Liming Shanxi Tian-di Coal Mining Machinery Co., Ltd., Taiyuan 030006, China Abstract Taking ZT6500/19.5/34 type hydraulic support as an example, the 3D model of simplified hydraulic support is built by 3D software SolidWorks, and the 3D model is imported into the finite element analysis software ANSYS. The mechanical strength of the four working conditions of the hydraulic support is analyzed. Keywords hydraulic support; finite element analysis 0引言 在液压支架的最初设计和制造过程中，都需对设计 进行测试和验证。 以前的测试和验证是在试验场地进行， 液压支架的试验对象，测试费用大约需要10万20万元， 过程大约需12个月时间，而且这种测试是破坏性测试。 本文以ZT6500/19.5/34型支架研究对象，通过SolidWorks 软件建立三维模型，然后通过简化计算模型并导入 ANSYS软件， 最后得出4种工况下的液压支架强度有限元 分析结论，这种仿真计算解决了传统测试验证方法费用 高、 用时长、 存在破坏性的问题。 1三维模型建模 本文以ZT6500/19.5/34型支架为例进行三维建模。 在 建模过程中， 一些不重要的部分如盖板、 耳子等被简化。 但是这种简化是在不影响强度分析结果基础上的简化。 简化后建模如图1所示。 简化后的模型进行相关来压测验 高度为2850 mm，该模型为后续的有限元分析提供了动 态模型， 提高了模型有限元分析的效率。 2有限元分析 图1所示模型可以 通 过 介 于 SolidWorks 和ANSYS之间的通用 文件格式SAT导入有 限元分析软件ANSYS 中进行分析， 这种方法 可以大大减少直接在 ANSYS有限元分析软 件中直接建模所花费 的时间。首先本文以四面体结构为划分依据对模型进行 网格划分， 划分结果为56 884个单元和109 445个节点， 测 试高度为2850 mm， 网格划分结果如图2所示。 在液压支 架的强度测试 中， 在煤矿井下 的实际工况中， 液压支架的不 同部位在不同 负载下受力不 一样。根据 液 压支架通用技 术条件 （中国 煤炭行业标准MT 312-2000） 要求， 在进行液压支架强度 试验时， 在对主体结构件进行加载试验时， 试验方法为立 柱内加载，试验压力为额定工作压力的1.2倍，即7800 kN。本文针对顶梁在4种工况下的负载进行有限元分析 状态一为顶梁两端集中载荷工作状态；状态二为顶梁扭 转工作状态 状态三为顶梁偏载工作状态； 状态四为顶梁 中部集中载荷工作状态。 这4种工作状态下的加载简图如 图3图6所示。 图1ZT6500/19.5/34型液压支 架三维模型 图2液压支架的网格划分 d aad dccd L1 E F 准D 图6状态四加载简图 图3状态一加载简图图4状态二加载简图 图5状态三加载简图 125 机械工程师 MECHANICAL ENGINEER 圆园20 年第 8 期网址 电邮 hrbengineer 3分析计算结果 在 液压支架通用技术条件 （MT 312-2000） 中已对 强度加载试验在不同工作状态的加载强度进行了规定， 本文严格按照规定施加载荷， 图7图14为4种工作状态的 位移变量和等效应力图。 从图7中可以看出，在顶梁两端集中载荷工作状态 （状态一）下，最大位移变量集中在顶梁中部（为1.285 mm） 。位移变量从中部往两端逐渐降低。斜梁变形较小， 其他部位变形也较小， 整体变形量呈现拱形。 顶梁垫块的 位移量为0， 所以液压支架满足安全使用要求。 从图8中可以看出， 在顶梁两端集中载荷工作状态 （状态一） 下，左右两侧应力值较高，最大值为430 MPa， 低于铰接销轴极限 （785 MPa） ， 顶梁两端垫块应 力值较大， 其余部分应力值较小， 所以液压支架满足安 全使用要求。 从图9中可以看出，在顶梁扭转工作状态（状态二） 下， 顶梁最大位移偏转位置在顶梁左中部， 最大位移量为 1.916 mm。 位移量从左边中部往外部逐渐下降。 顶梁位移 量整体偏小，整体变形量为拱形，左中部有明显翘起部 位， 顶梁垫块的位移量为0， 所以液压支架满足安全使用 要求。 从图10中可以看出， 在顶梁扭转工作状态 （状态二） 下， 在顶梁左侧铰接处应力值最大 （为427 MPa） ， 低于铰 接销轴极限 （785 MPa） ， 顶梁两端垫块应力值较大， 其余 部分应力值较小， 所以液压支架满足安全使用要求。 从图11中可以看出， 在顶梁偏载工作状态 （状态三） 下，位移变量最大值出现在左侧顶梁前段，最大值为 2.367 mm， 位移变量值从左侧顶梁前段往右往外降低， 前 后铰接部位位移变量值较小，顶梁翘起部位位移变量逐 渐增大， 其他部位位移变形量较小， 顶梁垫块的位移量为 0， 所以液压支架满足安全使用要求。 从图12可以看出， 在顶梁偏载工作状态 （状态三） 下， 右侧顶梁应力值最大（为440 MPa） ，低于铰接销轴极限 （785 MPa） ， 铰接销孔应力值为417 MPa， 顶梁两端垫块 应力值较大， 其余部分应力值较小， 所以液压支架满足安 全使用要求。 从图13可以看出， 在顶梁中部集中载荷工作状态 （状 态四）下，位移量最大值出现在顶梁右前端（为2.876 mm） ， 位移量值从右前端往外逐渐降低， 前后铰接销轴孔 位移量较小， 其他部位的位移量较小， 整体形变量为反拱 形。 翘起部位变形量从内往外逐渐增大， 顶梁垫块的位移 量为0， 所以液压支架满足安全使用要求。 从图14可以看出， 在顶梁中部集中载荷工作状态 （状 态四） 下， 应力值在顶梁右铰接销轴处为最大值 （为279 MPa） ， 低于铰接销轴极限 （785 MPa） ， 铰接销孔应力值为 271 MPa， 顶梁两端垫块应力值较大， 其余部分应力值较 小， 所以液压支架满足安全使用要求。 4结论 通过三维建模软件， 对ZT6500/19.5/34型液压支架进 行建模并简化， 建模效率大幅提高， 并为后续动态有限元 分析提供了模型。 通过ANSYS进行了该型号液压支架的4 种工况下的位移变量和等效应力分析。该分析可以有效 提高液压支架优化设计和结构设计强度分析效率。通过 建模和仿真分析可以更加符合工程实际工况， 从而便捷、 高效、 节约地完成液压支架设计和研究。 ［参 考 文 献］ [1]杨建新.液压支架立柱检测技术的探讨[J].煤矿机械,2018248- 51. [2]刘志刚.超前支护液压支架在煤矿井下的应用[J].煤矿机械, 20185129-130. [3]严尔军.基于无线传感器网络的液压支架监控系统研究[J].煤矿 机械,2017,38635-36. [4]魏栋梁.液压支架数字化、 可视化设计[J].煤矿机械,2017,384 4-5.（责任编辑马忠臣） 作者简介 代立明 （1983） ， 本科， 工程师， 从事短壁开采类煤矿机械 相关研究工作。 收稿日期 2020-06-17 图7状态1位移变量图图8状态1等效应力图 图9状态2位移变量图图10状态2等效应力图 图14状态4等效应力图 图11状态3位移变量图图12状态3等效应力图 图13状态4位移变量图 126