礦用液壓支架強度分析

李燦，茍曉明，雷剛，鄧虹輝

(1.重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶 400054;

2.汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054;

3.南車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412000)

礦用液壓支架強度分析

李燦1，茍曉明1，雷剛2，鄧虹輝3

(1.重慶理工大學(xué)機械工程學(xué)院，重慶 400054;

2.汽車零部件先進制造技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054;

3.南車株洲電力機車有限公司，湖南株洲 412000)

對某型礦用液壓支架進行結(jié)構(gòu)強度分析和實驗對比。針對煤礦用液壓支架實驗標準要求的幾個工況進行分析，選取頂梁偏心加載、頂梁扭轉(zhuǎn)加載和頂梁兩端加載等3個行業(yè)比較關(guān)心的工況進行有限元計算;針對這3種工況，采用電測法測試了臺架試驗時若干測量點的應(yīng)力;通過有限元計算的應(yīng)力值與試驗測量應(yīng)力值對比，發(fā)現(xiàn)兩者誤差較小。該計算分析方法為產(chǎn)品的研發(fā)提供了較可靠的依據(jù)。

有限元;液壓支架;強度分析

礦用液壓支架為采礦行業(yè)重要設(shè)備之一，它不僅保障采礦作業(yè)的正常進行，同時還保護著采礦工作者的生命財產(chǎn)安全。針對于煤礦行業(yè)，液壓支架的研發(fā)設(shè)計主要針對其強度分析。以往的研究主要通過有限元技術(shù)，在計算機上對其進行虛擬實驗，從而得出計算結(jié)果。液壓支架架型的選擇取決于開采煤層的地質(zhì)條件、生產(chǎn)能力規(guī)模以及相配套的采煤機和刮板輸送機等設(shè)備［1］。本文針對某煤礦用液壓支架，采用有限元技術(shù)對其進行強度分析，并通過實驗與計算結(jié)果進行對比，兩者誤差較小。本研究為液壓支架的強度分析提供了可靠的依據(jù)，并為企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)指明了方向，縮短了研發(fā)周期。

1 有限元模型

1.1 簡化模型

在某三維軟件中打開液壓支架的CAD模型，并對模型進行簡化。簡化遵循以下原則:①總體簡化，即根據(jù)液壓支架試驗工況及零部件在液壓支架試驗時對支架的受力影響程度不同，不考慮非主要承載部件如尾梁、推移框架等，只保留底座、頂梁、掩護梁和前、后連桿，并把每個部件當作一個零件處理;②部件簡化，即從部件內(nèi)部進行適當簡化，將各部件內(nèi)無關(guān)大局的結(jié)構(gòu)進行簡化、合并、省略，如底座中的閥板、管卡等便做了省略處理;③保留危險部位的細節(jié)結(jié)構(gòu)，忽略不重要區(qū)域的小孔及小尺寸結(jié)構(gòu)，將一些薄板簡化為曲面［2］。將簡化后的模型導(dǎo)出為Parasolid文件格式。簡化后的模型如圖1所示。

圖1 液壓支架三維模型

1.2 FEM模型的建立及屬性設(shè)定

對液壓支架劃分網(wǎng)格的實質(zhì)就是對其模型進行網(wǎng)格離散。首先將生成的Parasolid文件讀入到Hyperworks軟件中進行幾何清理，各處零件之間的焊接采用節(jié)點共用法。設(shè)定單元的目標尺寸為20 mm，網(wǎng)格劃分完成后，單元總數(shù)為301 865個，節(jié)點總數(shù)為266 823個，其中三角形單元總數(shù)為2 257個，其余為四邊形單元以及一維單元。平衡缸采用一維彈簧單元模擬，各運動件采用MPC鉸接方式處理。

設(shè)定材料為鋼材，彈性模量為2.1×105Pa，泊松比為0.3，材料密度為7.9 g/cm3。材料力學(xué)參數(shù)如表1所示。彈簧單元的剛度為290 893.8 N/mm。該剛度根據(jù)液壓油的體積模量算得，剛度計算公式為

其中:Kθ為液壓油的體積模量;R為液壓缸外徑;r為液壓缸內(nèi)徑;L為液體在液壓缸中的長度。

設(shè)定單元屬性，將設(shè)置好的材料屬性賦予各個部件。網(wǎng)格劃分完成后的有限元模型如圖2所示。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

圖2 液壓支架有限元模型

1.3 定義仿真工況

由于該仿真試驗涉及到材料非線性狀態(tài)和接觸等分析，采用Abaqus求解器進行求解。將在Hyperworks中建立好的有限元模型導(dǎo)出inp文件格式，再將該文件格式導(dǎo)入到Abaqus中，在Abaqus中定義接觸以及邊界條件等屬性。

生產(chǎn)現(xiàn)場頂板和底板對支架施加的載荷千變?nèi)f化，液壓支架部件間的接觸狀況也隨之變化，解決這類接觸問題需要給出接觸條件和接觸邊界，用迭代法求解。因很難給出某種加載方式下的接觸邊界，同時也無法保證非線性迭代的收斂性［3］，這里接觸采用surface to surface接觸類型，摩擦系數(shù)設(shè)為0.15，定義滑移為有限滑移。邊界條件的定義根據(jù)國標《GB25974.1－2010煤礦用液壓支架通用技術(shù)條件》進行確定。實際液壓支架使用工況非常復(fù)雜，不僅頂板的壓力大小和作用位置，而且支架的頂梁和頂板的接觸情況都會隨機變化，頂梁上的載荷既非集中載荷又非均布載荷，分布規(guī)律因支架與頂板的接觸情況而異［4］。本文根據(jù)該標準對液壓支架行業(yè)較為關(guān)心的3個工況進行分析，分別為頂梁偏心加載、頂梁扭轉(zhuǎn)加載、頂梁兩端加載。各工況如圖3～5所示，仿真工況的定義如表2所示。

圖3 頂梁偏心加載

圖4 頂梁扭轉(zhuǎn)加載

圖5 頂梁兩端加載

表2 液壓支架外載及邊界條件

2 仿真結(jié)果分析

通過Abaqus計算求解，得出各工況下液壓支架受力的應(yīng)力云圖、液壓支架各部件的應(yīng)力最大值及出現(xiàn)位置。側(cè)偏工況應(yīng)力云圖如圖6所示。各工況下部件應(yīng)力最大值如表3所示。

圖6 側(cè)偏工況應(yīng)力云圖

表3 計算結(jié)果

計算結(jié)果表明:液壓支架部分區(qū)域已經(jīng)超過其材料的屈服極限，進入塑性變形階段，但計算所得的最大應(yīng)力值均未超過其材料的抗拉極限，不會產(chǎn)生破壞現(xiàn)象。由于該液壓支架有限元分析考慮的是在其極限工況下的受力分析，所以采用抗拉極限評價其強度是否滿足要求。通過表3可以看出該液壓支架滿足強度設(shè)計要求。由于有限元分析僅是產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計的一種較新的技術(shù)，計算所得結(jié)果與實驗值有一定的誤差，所以單純的有限元仿真試驗分析對產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計是不完整的，還需通過和真實的試驗數(shù)據(jù)進行比對，以驗證有限元模型。

3 試驗分析

對液壓支架進行真實的壓架試驗，根據(jù)試驗標準布置實驗工況。采用DH－3815N靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，布置好應(yīng)變片粘貼點，將測試點打磨光滑，貼上應(yīng)變片，數(shù)據(jù)采集線長為10 m，檢查線路連接，試驗布置完畢如圖7所示。

圖7 壓架試驗

應(yīng)變系統(tǒng)測的是材料的微應(yīng)變，將微應(yīng)變換算為應(yīng)力值，應(yīng)變片采用單向應(yīng)變片，算出的應(yīng)力值為應(yīng)變片黏貼方向上的應(yīng)力值。而有限元是基于全局坐標系下的計算結(jié)果，需要對仿真結(jié)果進行坐標轉(zhuǎn)換。在仿真后處理中建立相應(yīng)的局部坐標，將全局坐標系下的應(yīng)力值轉(zhuǎn)換到局部坐標中，測得其局部坐標系下的正應(yīng)力和主應(yīng)力與試驗值進行對比如表4所示。

表4 實驗值與計算值對比

通過表4數(shù)據(jù)比對，表明有限元仿真值與試驗值盡管存在誤差，但誤差較小;仿真試驗應(yīng)力值及應(yīng)力趨勢較準確，并對有限元技術(shù)的可行性做了進一步的證實。

4 結(jié)束語

本文通過對某煤礦用液壓支架進行強度分析，根據(jù)國標進行有限元仿真試驗，得出了液壓支架各部件的最大應(yīng)力以及出現(xiàn)的區(qū)域，通過該產(chǎn)品在極限工況下的受力情況的具體的分析，為產(chǎn)品的后續(xù)研發(fā)設(shè)計提供了明確的方向。通過液壓支架試驗與有限元仿真試驗進行對比，在3種工況下，兩者的應(yīng)力值較吻合，誤差較小，從而進一步證實了有限元仿真試驗的可行性，為企業(yè)在同類產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用有限元分析進行產(chǎn)品設(shè)計和優(yōu)化提供了一定的借鑒。

［1］鄭蘭芳.液壓支架虛擬壓架試驗研究［J］.煤礦開采，2010(8):90－92.

［2］吳震，王穎.基于ANSYS Workbench液壓支架整架有限元分析［J］.煤礦機械，2009(9):106－107.

［3］胡敏，崔江紅，曹必德.ZF7200/18/35型液壓支架有限元分析［J］.煤礦機械，2009(5):87－88.

［4］鄭曉雯，陳賢飛，劉宇，等.兩柱掩護式液壓支架接觸分析［J］.煤礦機電，2008(1):73－74.

(責任編輯 劉舸)

Strength Analysis of Mine Hydraulic Support

LI Can1，GOU Xiao－ming1，LEI Gang2，DENG Hong－h(huán)ui3
(1.School of Mechanical Engineering，Chongqing University of Technology，Chongqing 400054，China;2.The Key Lab of Automobile Parts＆Test Technique Ministry of Education，Chongqing 400054，China; 3.CSR Zhuzhou Electric Locomotive Co.Ltd.，Zhuzhou 412000，China)

In this paper，a certain type of mine hydraulic support structure was conducted strength analysis and experimental comparison.First hydraulic support for coal mine was analyzed with a few work conditions based on the experimental standards.Selecting roof beams eccentric load，top torsional load and both ends of the roof beams loaded that industry is more concerned about，we conducted the finite element calculation.For these three conditions，electrical measuring method was used to test the stress of a number of measurement points.Calculated by the finite element stress values compared with the experimentally measured stress values，we found that both errors are small.The methods of calculation and analysis provide a more reliable basis for the research and development of products.

finite element;hydraulic support;strength analysis

YD355

A

1674－8425(2014)05－0044－04

10.3969/j.issn.1674－8425(z).2014.05.009

2014－01－12

重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃項目(cstc2013jcyjA6005);重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項目(KJ130817)

李燦(1987—)，男，重慶人，碩士研究生，主要從事機械結(jié)構(gòu)強度和動力學(xué)方面的研究。

李燦，茍曉明，雷剛，等.礦用液壓支架強度分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2014(5):44－47.

format:LI Can，GOU Xiao－ming，LEI Gang，et al.Strength Analysis of Mine Hydraulic Support［J］.Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science，2014(5):44－47.