ZF-4000型液压支架强度有限元分析

王新亚 韩会军 范 迅

(中国矿业大学 (北京)机电与信息工程学院,北京市海淀区,100083)

★煤炭科技·机电与信息化 ★

ZF-4000型液压支架强度有限元分析

王新亚 韩会军 范 迅

(中国矿业大学 (北京)机电与信息工程学院,北京市海淀区,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

随着三维设计软件的出现和广泛应用,我国液压支架的设计已经有了长足的进步,而有限元法的应用也使液压支架整体强度的分析变得快捷、可靠。使用有限元软件对液压支架进行整体强度的有限元分析,可在液压支架试验之前就得知设计中存在的不足和缺陷,进而减少设计的时间和成本。

1 液压支架三维模型建立

三维实体建模是在有限元分析的基础,进行液压支架的有限元分析。本文以柳湾矿 ZF4000/ 17.5/28HL型液压支架为建模和分析对象对有限元法进行说明。采用专业的三维设计软件 Solid Edge对液压支架进行三维实体建模,再用ANSYS软件对液压支架的整体强度进行三维有限元分析。

ZF4000/17.5/28HL型液压支架的主要技术参数:工作阻力为4000 kN;初撑力3518.6 kN;泵站压力28.0 M Pa;支护高度1.75～2.8 m;中心距1.5 m;支护宽度 1.43～1.6 m;支护强度0.576 M Pa;对底板的比压1.25 M Pa。

建立三维模型时,首先要创建各零部件的草图,然后再根据各自的基本特征和附加特征生成各零部件的三维实体模型,接着按照各零部件之间的装配关系装配好局部装配体,最后再对各个局部装配体进行组装,同时按照液压支架的结构简化原则对液压支架计算模型进行合理地简化。

液压支架的结构简化原则是:主要部件的尺寸不改动;次要部件、受力小的部件,以及一些附件可以简化。因此,经过简化后液压支架的计算模型主要是由顶梁、上连杆、前连杆、后连杆和底座等重要承载部件组成,而挑梁、前梁、掩护梁和放煤机构由于其受力相对较小,简化后不会对支架主要构件的受力状况产生大的影响。简化后的ZF4000/17.5/28HL型液压支架总装配体见图1。

图1 简化后的ZF4000/17.5/28HL型液压支架总装配体

M T312-2000《液压支架通用技术条件》中规定了液压支架在进行强度试验时的试验高度为液压支架的最大高度减去最大高度与最小高度差值的三分之一。具体到本文中,液压支架在承受各种载荷工况时的试验高度为2450 mm。

2 整架强度有限元分析

2.1 有限元分析前处理

将简化后的液压支架实体模型保存为.sat文件格式,然后再导入到有限元分析软件ANSYS中。相应的液压支架的材料特性参数分别为:弹性模量为 2.06×105M Pa;剪切模量 0.79×105M Pa;泊松比0.3;密度7.85×103kg/m3。

选取三维8节点四面体结构实体单元solid45对相应的实体模型进行网格划分。

ZF4000/17.5/28HL型液压支架在高度为2450 mm时被划分为400122个单元和111028个节点,其网格划分图如图2所示。

图2 ZF4000/17.5/28HL型液压支架的有限元网格划分图

根据M T312-2000《液压支架通用技术条件》的规定,液压支架强度试验采用内加载方式。所以,该载荷是按照液压支架工作阻力4000 kN的1.2倍分别施加到液压支架的顶梁和底座的各个柱窝上。

本文选取较具有代表性的两个工况——顶梁两端集中载荷和底座扭转进行分析。

2.2 有限元分析结果

(1)顶梁两端集中载荷。液压支架在顶梁两端集中载荷工况下的总体位移云图见图3。由图3可知,液压支架在顶梁两端集中加载工况下的总体位移分布规律为:顶梁中部的位移最大,为2.021 mm,且向顶梁两端逐渐减小,而其他部件的位移很小。此时,顶梁沿支架纵向的整体变形呈弓形。

液压支架在顶梁两端集中载荷工况下的应力云图、顶梁的应力云图及各部件应力云图见图4、图5和图6。经分析可知,液压支架在顶梁两端集中加载工况下应力的分布规律为:上连杆与前连杆联接销孔处最大应力值为195 M Pa,而相应的前连杆联接销孔处的应力值为189 M Pa,顶梁右侧前柱窝附近的第1个主筋板处的应力值为179 M Pa,顶梁两端加垫块处的应力值为115 M Pa左右,柱窝处的应力值为79.2 M Pa,后连杆与上连杆联接销孔处的应力值为43.7 M Pa。这些应力在乘以安全系数1.2后,均小于液压支架材料16 M n的屈服强度340 M Pa,因此,液压支架在顶梁两端集中加载工况下可以正常工作。

图6 液压支架在顶梁两端集中载荷工况下各部件应力云图

(2)底座扭转。液压支架在底座扭转下的总体位移云图见图7。由图7可知,液压支架在底座扭转工况下总体位移的分布规律为:底座右底板右前端的位移最大,其值为3.294 mm,且向四周逐渐减小,上连杆、前连杆和后连杆处均有较小的位移,而其他部件的位移很小。

液压支架在底座扭转下的应力云图、底座的应力云图及各部件应力云图见图8、图9和图10。分析可知,液压支架在底座扭转工况下的应力分布规律为:底座右侧第2个主筋板与过桥联接处的最大应力值为336 M Pa,上连杆与前连杆联接销孔处的应力值为302 M Pa,前连杆与上连杆联接销孔处的应力值为285 M Pa,这些应力在乘以安全系数1.2后,均大于液压支架材料 16 M n的屈服强度340 M Pa;而后连杆与上连杆联接销孔处的应力值为93.8 M Pa,顶梁与上连杆联接销孔处的应力值为88.3 M Pa,这些应力在乘以安全系数1.2后,均小于液压支架材料16 M n的屈服强度340 M Pa。因此,液压支架在底座扭转工况下已不能正常工作,建议将应力较大处的相应主筋板的材料更换为屈服强度大于或等于550 M Pa的高强度钢板。

3 结论

利用三维设计软件 Solid Edge对柳湾矿ZF4000型液压支架建立了三维实体模型,又用ANSYS软件对液压支架的整体强度进行了三维有限元分析,得出了液压支架的位移、应力云图。

(1)结合液压支架的实际工况,对 ZF4000液压支架进行三维建模,在建模的过程中,进行必要的简化,便于后续的有限元分析,且建模结果可行。

(2)在该液压支架的设计过程中,在条件允许的情况下,支架顶梁、上连杆、前连杆、后连杆和底座的各主筋板处以及底座过桥处均建议采用屈服强度大于或等于550 M Pa的高强度钢板,以避免在各联接销孔处发生塑性变形,从而保证该液压支架的正常使用。同时,建议适当加大顶梁和底座各主筋板处的过渡圆角以及过桥处的过渡圆角,以减小相应的应力集中,改善该处的应力状况,从而保证该液压支架的正常使用。

[1]王国法.液压支架技术 [M].北京:煤炭工业出版社,1999

[2]张大海.液压支架装配联结部接触有限元分析 [D].中国矿业大学 (北京)硕士学位论文,2008(5)

(责任编辑 张艳华)

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

以汾西柳湾矿ZF4000/17.5/28HL型液压支架为研究对象,将计算机辅助设计与有限元分析技术相结合,利用计算机模拟液压支架在合理受载的基础上,对其进行有限元分析,得到液压支架整体的应力和应变规律。

液压支架 支架强度 有限元分析 集中载荷 支架顶梁 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

王新亚,男,硕士,高级工程师,现任山西焦煤汾西矿业集团副总经理。