礦用液壓支架強(qiáng)度分析

李燦，茍曉明，雷剛，鄧虹輝

(1.重慶理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054;

2.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054;

3.南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲 412000)

礦用液壓支架強(qiáng)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(jī)械工程學(xué)院，重慶 400054;

2.汽車零部件先進(jìn)制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054;

3.南車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲 412000)

對(duì)某型礦用液壓支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)比。針對(duì)煤礦用液壓支架實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求的幾個(gè)工況進(jìn)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(gè)行業(yè)比較關(guān)心的工況進(jìn)行有限元計(jì)算;針對(duì)這3種工況，采用電測(cè)法測(cè)試了臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)若干測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力;通過有限元計(jì)算的應(yīng)力值與試驗(yàn)測(cè)量應(yīng)力值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者誤差較小。該計(jì)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(qiáng)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(jìn)行，同時(shí)還保護(hù)著采礦工作者的生命財(cái)產(chǎn)安全。針對(duì)于煤礦行業(yè)，液壓支架的研發(fā)設(shè)計(jì)主要針對(duì)其強(qiáng)度分析。以往的研究主要通過有限元技術(shù)，在計(jì)算機(jī)上對(duì)其進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，從而得出計(jì)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(jī)和刮板輸送機(jī)等設(shè)備［1］。本文針對(duì)某煤礦用液壓支架，采用有限元技術(shù)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度分析，并通過實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者誤差較小。本研究為液壓支架的強(qiáng)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(jiǎn)化模型

在某三維軟件中打開液壓支架的CAD模型，并對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化遵循以下原則:①總體簡(jiǎn)化，即根據(jù)液壓支架試驗(yàn)工況及零部件在液壓支架試驗(yàn)時(shí)對(duì)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(hù)梁和前、后連桿，并把每個(gè)部件當(dāng)作一個(gè)零件處理;②部件簡(jiǎn)化，即從部件內(nèi)部進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，將各部件內(nèi)無關(guān)大局的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)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(xiǎn)部位的細(xì)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(jiǎn)化為曲面［2］。將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)出為Parasolid文件格式。簡(jiǎn)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(duì)液壓支架劃分網(wǎng)格的實(shí)質(zhì)就是對(duì)其模型進(jìn)行網(wǎng)格離散。首先將生成的Parasolid文件讀入到Hyperworks軟件中進(jìn)行幾何清理，各處零件之間的焊接采用節(jié)點(diǎn)共用法。設(shè)定單元的目標(biāo)尺寸為20 mm，網(wǎng)格劃分完成后，單元總數(shù)為301 865個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為266 823個(gè)，其中三角形單元總數(shù)為2 257個(gè)，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(yùn)動(dòng)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(jì)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(zhǎng)度。

設(shè)定單元屬性，將設(shè)置好的材料屬性賦予各個(gè)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(yàn)涉及到材料非線性狀態(tài)和接觸等分析，采用Abaqus求解器進(jìn)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(chǎng)頂板和底板對(duì)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(shí)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(biāo)《GB25974.1－2010煤礦用液壓支架通用技術(shù)條件》進(jìn)行確定。實(shí)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(huì)隨機(jī)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(biāo)準(zhǔn)對(duì)液壓支架行業(yè)較為關(guān)心的3個(gè)工況進(jìn)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(jì)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(jì)算結(jié)果

計(jì)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(jìn)入塑性變形階段，但計(jì)算所得的最大應(yīng)力值均未超過其材料的抗拉極限，不會(huì)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(píng)價(jià)其強(qiáng)度是否滿足要求。通過表3可以看出該液壓支架滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。由于有限元分析僅是產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的一種較新的技術(shù)，計(jì)算所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值有一定的誤差，所以單純的有限元仿真試驗(yàn)分析對(duì)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)是不完整的，還需通過和真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，以驗(yàn)證有限元模型。

3 試驗(yàn)分析

對(duì)液壓支架進(jìn)行真實(shí)的壓架試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)布置實(shí)驗(yàn)工況。采用DH－3815N靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)，布置好應(yīng)變片粘貼點(diǎn)，將測(cè)試點(diǎn)打磨光滑，貼上應(yīng)變片，數(shù)據(jù)采集線長(zhǎng)為10 m，檢查線路連接，試驗(yàn)布置完畢如圖7所示。

圖7 壓架試驗(yàn)

應(yīng)變系統(tǒng)測(cè)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(biāo)系下的計(jì)算結(jié)果，需要對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在仿真后處理中建立相應(yīng)的局部坐標(biāo)，將全局坐標(biāo)系下的應(yīng)力值轉(zhuǎn)換到局部坐標(biāo)中，測(cè)得其局部坐標(biāo)系下的正應(yīng)力和主應(yīng)力與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比如表4所示。

表4 實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

通過表4數(shù)據(jù)比對(duì)，表明有限元仿真值與試驗(yàn)值盡管存在誤差，但誤差較小;仿真試驗(yàn)應(yīng)力值及應(yīng)力趨勢(shì)較準(zhǔn)確，并對(duì)有限元技術(shù)的可行性做了進(jìn)一步的證實(shí)。

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)某煤礦用液壓支架進(jìn)行強(qiáng)度分析，根據(jù)國標(biāo)進(jìn)行有限元仿真試驗(yàn)，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(jì)提供了明確的方向。通過液壓支架試驗(yàn)與有限元仿真試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，在3種工況下，兩者的應(yīng)力值較吻合，誤差較小，從而進(jìn)一步證實(shí)了有限元仿真試驗(yàn)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(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(yàn)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(jī)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(jī)械，2009(5):87－88.

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

(責(zé)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(jì)劃項(xiàng)目(cstc2013jcyjA6005);重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJ130817)

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

李燦，茍曉明，雷剛，等.礦用液壓支架強(qiáng)度分析［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):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.