ZF-4000型液壓支架強度有限元分析

王新亞 韓會軍 范 迅

(中國礦業大學 (北京)機電與信息工程學院,北京市海淀區,100083)

★煤炭科技·機電與信息化 ★

ZF-4000型液壓支架強度有限元分析

王新亞 韓會軍 范 迅

(中國礦業大學 (北京)機電與信息工程學院,北京市海淀區,100083)

AbstractFocusing on a study on type ZF-4000/17.5/28HL powered support used in Liuw an coal m ine of Fenxi Group in Shanxip rovince,the technologiesof computer aided design and finite element analysis are combined to carry out a finite element analysison the hydraulic support by emp loying computer to simulate rationalized loads on the suppo rts.The overall stress and strain regularities of the hydraulic support are obtained,w hich p rovides important bearings on the further imp rovement of the design of the support and further enhancement of the overall strength of the hydraulic suppo rt.

Key wordshydraulic support,support strength,3-D modeling,finite element analysis, concentrated loads canopy,base tw isting

隨著三維設計軟件的出現和廣泛應用,我國液壓支架的設計已經有了長足的進步,而有限元法的應用也使液壓支架整體強度的分析變得快捷、可靠。使用有限元軟件對液壓支架進行整體強度的有限元分析,可在液壓支架試驗之前就得知設計中存在的不足和缺陷,進而減少設計的時間和成本。

1 液壓支架三維模型建立

三維實體建模是在有限元分析的基礎,進行液壓支架的有限元分析。本文以柳灣礦 ZF4000/ 17.5/28HL型液壓支架為建模和分析對象對有限元法進行說明。采用專業的三維設計軟件 Solid Edge對液壓支架進行三維實體建模,再用ANSYS軟件對液壓支架的整體強度進行三維有限元分析。

ZF4000/17.5/28HL型液壓支架的主要技術參數:工作阻力為4000 kN;初撐力3518.6 kN;泵站壓力28.0 M Pa;支護高度1.75～2.8 m;中心距1.5 m;支護寬度 1.43～1.6 m;支護強度0.576 M Pa;對底板的比壓1.25 M Pa。

建立三維模型時,首先要創建各零部件的草圖,然后再根據各自的基本特征和附加特征生成各零部件的三維實體模型,接著按照各零部件之間的裝配關系裝配好局部裝配體,最后再對各個局部裝配體進行組裝,同時按照液壓支架的結構簡化原則對液壓支架計算模型進行合理地簡化。

液壓支架的結構簡化原則是:主要部件的尺寸不改動;次要部件、受力小的部件,以及一些附件可以簡化。因此,經過簡化后液壓支架的計算模型主要是由頂梁、上連桿、前連桿、后連桿和底座等重要承載部件組成,而挑梁、前梁、掩護梁和放煤機構由于其受力相對較小,簡化后不會對支架主要構件的受力狀況產生大的影響。簡化后的ZF4000/17.5/28HL型液壓支架總裝配體見圖1。

圖1 簡化后的ZF4000/17.5/28HL型液壓支架總裝配體

M T312-2000《液壓支架通用技術條件》中規定了液壓支架在進行強度試驗時的試驗高度為液壓支架的最大高度減去最大高度與最小高度差值的三分之一。具體到本文中,液壓支架在承受各種載荷工況時的試驗高度為2450 mm。

2 整架強度有限元分析

2.1 有限元分析前處理

將簡化后的液壓支架實體模型保存為.sat文件格式,然后再導入到有限元分析軟件ANSYS中。相應的液壓支架的材料特性參數分別為:彈性模量為 2.06×105M Pa;剪切模量 0.79×105M Pa;泊松比0.3;密度7.85×103kg/m3。

選取三維8節點四面體結構實體單元solid45對相應的實體模型進行網格劃分。

ZF4000/17.5/28HL型液壓支架在高度為2450 mm時被劃分為400122個單元和111028個節點,其網格劃分圖如圖2所示。

圖2 ZF4000/17.5/28HL型液壓支架的有限元網格劃分圖

根據M T312-2000《液壓支架通用技術條件》的規定,液壓支架強度試驗采用內加載方式。所以,該載荷是按照液壓支架工作阻力4000 kN的1.2倍分別施加到液壓支架的頂梁和底座的各個柱窩上。

本文選取較具有代表性的兩個工況——頂梁兩端集中載荷和底座扭轉進行分析。

2.2 有限元分析結果

(1)頂梁兩端集中載荷。液壓支架在頂梁兩端集中載荷工況下的總體位移云圖見圖3。由圖3可知,液壓支架在頂梁兩端集中加載工況下的總體位移分布規律為:頂梁中部的位移最大,為2.021 mm,且向頂梁兩端逐漸減小,而其他部件的位移很小。此時,頂梁沿支架縱向的整體變形呈弓形。

液壓支架在頂梁兩端集中載荷工況下的應力云圖、頂梁的應力云圖及各部件應力云圖見圖4、圖5和圖6。經分析可知,液壓支架在頂梁兩端集中加載工況下應力的分布規律為:上連桿與前連桿聯接銷孔處最大應力值為195 M Pa,而相應的前連桿聯接銷孔處的應力值為189 M Pa,頂梁右側前柱窩附近的第1個主筋板處的應力值為179 M Pa,頂梁兩端加墊塊處的應力值為115 M Pa左右,柱窩處的應力值為79.2 M Pa,后連桿與上連桿聯接銷孔處的應力值為43.7 M Pa。這些應力在乘以安全系數1.2后,均小于液壓支架材料16 M n的屈服強度340 M Pa,因此,液壓支架在頂梁兩端集中加載工況下可以正常工作。

圖6 液壓支架在頂梁兩端集中載荷工況下各部件應力云圖

(2)底座扭轉。液壓支架在底座扭轉下的總體位移云圖見圖7。由圖7可知,液壓支架在底座扭轉工況下總體位移的分布規律為:底座右底板右前端的位移最大,其值為3.294 mm,且向四周逐漸減小,上連桿、前連桿和后連桿處均有較小的位移,而其他部件的位移很小。

液壓支架在底座扭轉下的應力云圖、底座的應力云圖及各部件應力云圖見圖8、圖9和圖10。分析可知,液壓支架在底座扭轉工況下的應力分布規律為:底座右側第2個主筋板與過橋聯接處的最大應力值為336 M Pa,上連桿與前連桿聯接銷孔處的應力值為302 M Pa,前連桿與上連桿聯接銷孔處的應力值為285 M Pa,這些應力在乘以安全系數1.2后,均大于液壓支架材料 16 M n的屈服強度340 M Pa;而后連桿與上連桿聯接銷孔處的應力值為93.8 M Pa,頂梁與上連桿聯接銷孔處的應力值為88.3 M Pa,這些應力在乘以安全系數1.2后,均小于液壓支架材料16 M n的屈服強度340 M Pa。因此,液壓支架在底座扭轉工況下已不能正常工作,建議將應力較大處的相應主筋板的材料更換為屈服強度大于或等于550 M Pa的高強度鋼板。

3 結論

利用三維設計軟件 Solid Edge對柳灣礦ZF4000型液壓支架建立了三維實體模型,又用ANSYS軟件對液壓支架的整體強度進行了三維有限元分析,得出了液壓支架的位移、應力云圖。

(1)結合液壓支架的實際工況,對 ZF4000液壓支架進行三維建模,在建模的過程中,進行必要的簡化,便于后續的有限元分析,且建模結果可行。

(2)在該液壓支架的設計過程中,在條件允許的情況下,支架頂梁、上連桿、前連桿、后連桿和底座的各主筋板處以及底座過橋處均建議采用屈服強度大于或等于550 M Pa的高強度鋼板,以避免在各聯接銷孔處發生塑性變形,從而保證該液壓支架的正常使用。同時,建議適當加大頂梁和底座各主筋板處的過渡圓角以及過橋處的過渡圓角,以減小相應的應力集中,改善該處的應力狀況,從而保證該液壓支架的正常使用。

[1]王國法.液壓支架技術 [M].北京:煤炭工業出版社,1999

[2]張大海.液壓支架裝配聯結部接觸有限元分析 [D].中國礦業大學 (北京)碩士學位論文,2008(5)

(責任編輯 張艷華)

Fin ite elemen t analysis of the strength of ZF-4000 hydraulic support

以汾西柳灣礦ZF4000/17.5/28HL型液壓支架為研究對象,將計算機輔助設計與有限元分析技術相結合,利用計算機模擬液壓支架在合理受載的基礎上,對其進行有限元分析,得到液壓支架整體的應力和應變規律。

液壓支架 支架強度 有限元分析 集中載荷 支架頂梁 底座

Wang Xinya,Han Huijun,Fan Xun
(School of Mechanical Electronics&Information Engineering, China University of M ining and Technology,Beijing 100083,China)

B

王新亞,男,碩士,高級工程師,現任山西焦煤汾西礦業集團副總經理。