基于UG的液壓支架推移框架的有限元分析

(山西輕工職業技術學院，山西 太原 030000)

0 引言

液壓支架是煤礦綜采工作面的重要設備之一，始終處于復雜惡劣的工作環境中。由于頂板壓力、綜采工作面的起伏、斷層與陷落柱等不同的地質條件，支架受載荷情況也是復雜多樣。隨著工作面的回采，支架的推移框架通過拉架、推溜作用實現支架與運輸機的移動。因此推移框架在綜采工作面回采過程中起著舉足輕重的作用，一旦出現故障，將嚴重地制約著工作面的正常生產[1-2]。本文以ZY5600/20/42型液壓支架為研究對象，利用UG有限元軟件建立支架推移框架的簡化三維實體模型，并在三種不同工況條件下對其推移框架3D實體模型進行有限元分析, 得出該結構的Vomises應力云圖與位移云圖。通過推移框架的Vomises應力云圖與位移云圖，可以直觀地得到不同工況條件下的應力危險區域及推移框架結構中剛度薄弱的位置[3-5]，為今后對推移框架結構改進、受力狀況的改善、重量減輕提供了理論依據。

1 推移框架的受力分析

1.1 液壓支架下滑力的計算

液壓支架的下滑力可以表示為：

F下=mg(sinθ-fcosθ)×(1+μ)

其中：θ—煤層傾角，取20°；

f—支架底座對底板的摩擦系數，取0.3；

m—支架的質量，取19.5×10-3kg；

g—9.8 N/kg；

μ—降架后，支架頂梁上方的巖石重量對支架重量的系數，取0.2。

由計算可得：

F下=19.5×103×9.8×(sin20-0.3×cos20)×(1+0.2)≈13.99 kN

1.2 支架與運輸機所成角度的估算

液壓支架的拉架力可以表示為：

F拉=0.25πD2P×10-3

其中：D—推移千斤頂的活塞直徑，取 160 mm；

P—泵站壓力，取31.5 MPa。

由計算可得：

F拉=0.25×π×D2×31×10-3=622.98 kN

液壓支架推溜力可以表示為：

F推=0.25π(D2-d2)×P×10-3

其中：D—推移千斤頂的活塞直徑，取160 mm；

d—推移千斤頂活塞桿直徑，取105 mm；

P—泵站壓力，取31.5 MPa。

由計算可得：

F推=0.25π(D2-d2)×P×10-3=360.4 kN

在回采工作面煤層傾角較大時，為使“三機”能夠正常運行，支架在回采時產生的傾斜向上分力與支架下滑摩擦力平衡，從而保證液壓支架在俯采、仰采運行時不出現下滑現象。由分析可知，運輸機的垂線與支架底座支架形成的夾角可以表示為：

θ=arcsin(F下/F拉)≈1.28°

盡管液壓支架底座與運輸機的垂線之間的夾角僅為1.28°，但液壓支架底座前端具有支架底座與推移框架的鉸接結構，在拉架時產生向上的分力，支架的后端會不可避免發生下滑。為防止下滑，在5600/20/42支架底座尾部有一套自身調整裝置。為保證在推溜過程中液壓支架的推移框架具有足夠的強度，其采用焊接箱形結構[6-8]。液壓支架底座在支架的推移過程中還能起到導向作用，便產生一個斜向上的推溜分力，即：

F上=F推×sin1.28°=8.05 kN

這個傾斜向上的推溜分力對防止運輸機的下滑、減小煤壁的片幫、提高工作面煤壁狀況都能夠起到一定的作用。以本綜采工作面為例，其在工作面仰采過程中，下部最大仰采角為16°左右，回采工作面煤壁在回采過程中未出現大面積片幫。從而保證了工作面的安全生產[9]。

2 各種工況條件下的有限元分析

ZY5600/20/42支架推移框架正常作業狀態下，推移千斤頂與推移框架之間的受力夾角為10°，最大能夠在30°范圍內保證正常運行。通過對推移框架的受載情況做進一步簡化，在如下3種不同工況條件下進行靜態力學分析：

1)回采工作面俯采時，運輸機受到推移千斤頂的向上的載荷作用，推移框架也隨之抬起，這時θ<10°，根據前面的計算可知θ為1.28°。

2)回采工作面仰采時，運輸機受到推移千斤頂的向下的載荷作用，輸送機下滑，這時θ>10°，由上文可知θ為16°。

3)由于回采工作面煤層的局部傾角達20°以上，推移框架端部將處于水平狀態，取θ為90°。

因拉架力大于推溜力，因此，本文將運輸機與液壓支架推移框架相連接的部位視為固定端，推移框架另一端受載，根據其受載情況，可認為推移框架是一個懸臂梁受力狀態。

2.1 建立三維實體模型與有限元模型

圖1 推移框架的有限元模型

利用UG有限元軟件對推移框架結構進行簡化，建立三維實體模型。通過對三維模型定義其物理屬性，材料采用16 Mn鋼，楊氏彈性模量E=2e11 N/m2，泊松比取u=0.3，密度d=7800 kg/m3，然后對其進行10面體的網格劃分，得到有限元模型，如圖1所示[10]。

2.2 靜態力學分析

利用得到的有限元模型，分別在以上3種不同工況條件下施加載荷，得到應力云圖與應變云圖。分析結果如圖2-圖7所示(圖中應力單位：MPa，應變單位：mm)。

從推移框架的Vomises應力云圖和應變云圖分析可知：

1)在3種不同工況受載狀態下，最大應力Smax=184.6 MPa，材料的許用應力340 MPa，因此推移框架滿足3種工況條件下的強度要求。在支架拉移位置與變截面位置應力較大。因此，載荷作用端與變截面焊接處都是極易發生疲勞損壞甚至發生斷裂的部位。

2)由應變云圖可知：在工況1與2推移框架同時出現了軸向應變和彎應變。因此，在回采過程中應及時處理工作面底鼓、支架與運輸機之間較大的巖石灑落等問題，保證拉架與推溜能夠在較好的環境中運行。

3 結論

液壓支架的推移框架是由鋼板焊接組成的構件，其在拉架、推溜過程中的靜態力學分析不僅與計算強度有關，而且與推移框架的結構、受力狀態、焊縫布置等多種因素有關。本文首先利用數值計算得到了推移框架的3種不同工況，然后利用UG有限元軟件進行了靜態力學分析，得到了推移框架結構的薄弱位置。得出以下結論：

1)由于在第1種工況條件下的應力與應變都為最大，因此需要在俯采條件下對推移框架結構參數進行優化，以改善其受力狀態，降低俯采時的故障率。

2)由于在斷面變化處應力也較大，因此需要在今后應用中簡化推移梁體結構，改善斷面變化情況，加強連接部位強度，使其整體性能得到提高。

3)由于推移框架連接部位應力較大，應選擇機械性能更好的材料，降低損耗故障率。

[1] 郭朋星，趙輝.大采高液壓支架選型及適應性分析[J].煤炭技術，2010，29(12)：4-6

[2] 王國法.液壓支架技術[M]. 北京：煤炭工業出版社，1999

[3] 袁廣，劉鐵軍，等.液壓支架護幫板的力學分析與計算[J].煤礦機械，2010，31(09):19-20

[4] 高有進.6.2米液壓支架關鍵技術研究與優化設計[D].武漢：華中科技大學，2008

[5] 夏念斌，張鵬，劉英. ZFS6200/18/35液壓支架推移機構的改造及應用[J].煤礦機械，2010，31(04)：147-149

[6] 周躍進，張吉雄，聶守江. 充填采煤液壓支架受力分析與運動學仿真研究[J].中國礦業大學學報，2012，41(03)：366-370

[7] 臧峰，趙啦啦，王忠賓. 基于Pro/E的液壓支架三維建模與運動仿真[J].煤礦機械，2007，28(05)：64-66

[8] 朱殿瑞，廉自生，賀志凱. 掩護式液壓支架姿態分析[J].礦山機械，2012，40(03)：16-19

[9] 王春華，黃楊，孟凡林，等. 基于ANSYS液壓支架托梁結構改進及強度分析[J].機械設計，2013，30(01)：67-69

[10] 胡敏，崔江紅，曹必德，等. ZF7200/18/35型液壓支架有限元分析[J].煤礦機械，2009，30(05)：87-89