堅硬頂板大采高ZZ13000/28/60型液壓支架受力分析

王明明，武維承，勾靖國

（山西大同大學煤炭工程學院，山西 大同 037003）

ZZ13000/28/60型大采高液壓支架是平陽重工與同煤集團針對大同礦區(qū)厚煤層“兩硬”條件(堅硬頂板、堅硬煤層)研制的適應4～6 m厚煤層綜合機械化開采的支護設備。

ZZ13000/28/60支架的設計使用了先進的三維計算機圖形技術來完成液壓支架的三維實體構建,并運用仿真系統(tǒng)對模型進行靜力學、運動學和系統(tǒng)動力學仿真分析。支架CAD/CAE虛擬樣機優(yōu)化設計仿真分析的基本步驟為:

⑴對液壓支架進行三維實體構建；

⑵在仿真系統(tǒng)中對構建的液壓支架模型施加約束、設置材料屬性、施加載荷等；

⑶對模型進行靜力、動力及運動學仿真；

⑷對仿真結果進行分析,看結果是否和設計目標相一致,如果一致則對模型結構進行有限元分析,從而完成對液壓支架的優(yōu)化設計。否則,改進液壓支架的幾何模型進而改變載荷函數,再完成上述內容。

1 支架虛擬樣機的三維構建

根據液壓支架工作現場狀況和液壓支架的一般設計原則,并結合前面對液壓支架的受力和承載能力分析的分析結果。利用CAD軟件建模工具構建支架各主要元部件的實體模型，見圖1。再根據各組件的裝配關系,應用約束操作、前后處理模塊和裝配功能完成液壓支架整架的三維實體模擬樣機，見圖2。由此產生了符合課題要求的支架運動模型[1]。

圖1 底座和后連桿實體模型

圖2 液壓支架三維整體模型

2 支架虛擬樣機的受力分析

應用CAD/CAE軟件系統(tǒng)對構建的液壓支架三維實體模型進行運動學仿真。首先對實體模型進行力學簡化,然后對其施加約束、設置材料屬性、施加載荷等。其次對虛擬樣機進行網格細化,最后對其進行仿真,得出仿真結果。這樣,支架運動系統(tǒng)及其元部件的設計就可以依據設計目標不斷地細化、改進。經過測試確認后,支架運動特征就可以在CAD環(huán)境中建立更精確的結構件三維實體幾何模型。

2.1 簡化模型

在對液壓支架虛擬樣機的有限元分析中,液壓支架的前梁機構對液壓支架的受力影響不大,且支架在柱窩處所受到的力相對復雜。將立柱從支架抽離出來研究,即可得出液壓支架虛擬樣機在有限元分析的簡化模型，見圖3。

圖3 液壓支架簡化模型

2.2 材料屬性、邊界條件與載荷

1）材料與屬性

雖然在液壓支架設計中,支架各處使用的鋼材不經相同,但所用各種鋼材的彈性模量、泊松比和密度基本相同,所以分析中應用同種材料特性:E=210 GPa,μ=0.3,ρ=7850 kg·m-3。

2）邊界條件與載荷

在實際工作中,液壓支架承受工作面圍巖的壓力載荷和立柱的支撐載荷。依據MT312-2000《液壓支架通用技術條件》,為了模擬不同的井下工況,在型式試驗中把墊塊放置在支架的不同位置。在有限元分析中,支架受到墊塊的作用力作為約束條件,約束支架3個平移自由度;4根立柱對底座柱窩、頂梁所施加的載荷為外載荷,以等效力加在柱窩上;由于立柱和柱窩之間為球面接觸,且分析中對球面載荷的處理比較復雜,根據圣維南原理,等效簡化球面接觸載荷,施加不同的工況下在柱窩處的靜載荷并分析計算[2]。

3）部件鉸接部位處理

液壓支架的主體部件采用銷軸鉸接,并且存在間隙,銷軸與銷孔間的接觸點是變化的,因此難以給在某種加載方式下的精確接觸邊界。本文使用ANSYS Workbench 中的 Joint(接頭)項的 Revolute(旋轉副)來處理各部件間的鉸接關系,而不做銷軸3D模型,這樣的處理方法雖然不能準確地反映鉸接處的應力,但對整體架型的應力分布影響較小,符合有限元分析的要求。

2.3 網格劃分

在分析中,采用ANSYS Workbench中四面體單元Solid187和六面體單元Solid186來劃分實體;利用四邊形殼單元Shell181來劃分殼體,只對實常數進行定義,而不對偏置和截面定義。局部網格細化應力集中部位和關注部位,網格劃分后生成179000個單元,350000個節(jié)點，見圖4，5。

圖4 前后連桿網格劃分

圖5 液壓支架網格劃分

2.4 分析結果

1）頂梁扭轉工況有限元分析結果

頂梁扭轉的工況下,分析墊塊2種放置方法,應力分布呈現的特點如下:在墊塊放置處出現最大應力,應力為668 MPa,此處不是分析關注區(qū)域,無參考價值。內外主肋上的應力為0～200 MPa,偏載墊塊靠近一側的內主肋上出現最大應力;蓋板上應力為0～250 MPa,最大值出現在前柱窩上,最大554 MPa左右，見圖6。

圖6 頂板偏載受力分析

2）頂梁偏載工況有限元分析結果

頂梁偏載的工況下,應力分布的特點:在偏載墊塊放置處出現最大應力490 MPa,此處不是關注區(qū)域,無參考價值;內外主肋上應力為0～200 MPa,偏載墊塊一側內主肋上出現最大應力;各蓋板上應力為0～250 MPa,最大值出現在前柱窩上,最大439 MPa左右，見圖7。

圖7 頂梁扭轉受力分析

偏載工況下,掩護梁的應力狀態(tài)十分惡劣,應力分布的特點:出現在靠近偏載墊塊一側掩護梁與頂梁的鉸接孔上的最大應力為260 MPa,內外主肋上應力為0～360 MPa,最大應力在外主肋的掩護梁與頂梁的鉸接孔上;蓋板上應力為0～230 MPa。

3）底座扭轉工況有限元分析結果

底座扭轉的工況下,分析墊塊2種放置方法,分布特點:最大應力在底座過橋上,大小為1500 MPa,放置扭轉墊塊處應力為600 MPa;內主肋上應力為0～350 MPa,內主肋到大圓角處出現最大應力,大約為350 MPa;蓋板上應力為0～250MPa,最大值出現在前柱窩上,最大250 MPa，見圖8。

圖8 底座受扭轉工況受力分析

3 結論

在同煤集團堅硬頂板條件下,在扭轉、偏載工況中,支架的頂梁、底座受力均不超過支架材料的屈服極限690 Mpa。 ZZ13000/28/60型液壓支架適合同煤集團堅硬頂板的要求。為我國在堅硬頂板特大采高條件下一次采全高綜采設備的應用奠定了基礎,對實現大同礦區(qū)乃至我國其它地區(qū)的堅硬頂板條件厚煤層的高產高效開采,提高資源回收率,推動企業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

[1]寧桂峰.液壓支架三維動態(tài)設計與力學仿真研究[D].北京:煤炭科學研究總院,2004.

[2]王國法.液壓支架三維建模及其運動仿真[J].煤炭科學技術,2003,31(1):42-45.