液压支架结构件有限元应力分析

液压支架

Vol130No101第30卷第1期煤　矿　机　械　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

Jan.20092009年　1月CoalMineMachinery

液压支架结构件有限元应力分析

房虎林1,曹连民2,刘海峰1

(1.山东天晟煤矿装备有限公司,山东淄博255129;2.山东科技大学,山东青岛266510)

摘要:主要对液压支架结构件进行了应力分析,计算结果基本上反映了支架受力特点。采用

有限元分析方法,可以改变常规力学方法无法处理的结构件强度问题,使计算结果更加安全可靠。

关键词:液压支架;结构件;有限元;应力中图分类号:TD355　文献标志码:A　文章编号:100320794(2009)01200802FiniteElementStressAnalysisonSupport

FANGHu-lin,CAO,Hai-(1.ShandongTianshengMom255129,China;

2.of,Qingdao266510,China)

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Abstractofhydraulicsupport,theanalysisresultslargelyreflecttheforcetousingthefiniteelementcandealwiththestructurestrengthquestionthatmechanicalmethodcannotdealwith,andmakestheresultmoresafeandreli2able.

Keywords:hydraulicsupport;structure;finiteelement;stress

1　基本思路

(1)将一个受力的连续弹性体“离散化”,即将

在工作面开采过程中,支架不仅承受立柱的支

撑载荷,也承受来自工作面围岩的压力载荷。如果把垫块对支架的作用力当作外力来考虑,则此状况是超静定系统,用力的平衡方程解不出垫块对支架的作用力。因此,在计算中不把垫块的作用力当作外力来考虑,而是把垫块的作用当作边界条件来处理。

(2)结构的外载

它看作是由一定数量的有限小的单元的集合体,同时认为这些单元之间只在节点上互相联系,亦即只有节点才能传递力。

(2)按静力等效原则将作用于每个单元的外力(面力、体积力、温度以及各相邻单元的作用力)简化到节点上去,形成等效节点力。

(3)根据弹性力学的基本方程(几何方程、物理方程等)推导出单元节点力和节点位移之间的关系,建立作用在每个节点上力的平衡方程式。于是得到一个以节点位移为未知数的线性代数方程组。

(4)加入位移边界条件求解方程组,得到全部未知位移,进而求得各单元的应变和应力。

2　支架整架结构件有限元静应力分析

由于将垫块作为结构的边界约束条件来处理,因此,对于四柱支撑掩护式支架来说,其外载便只有4根立柱对顶梁、底座柱窝所加的载荷。由于柱窝

同立柱的作用属于接触问题,处理起来较为复杂,因此假定立柱传递给柱窝的外力均匀作用于柱窝表

面。

(3)结构中部件间连接处的处理结构中顶梁与掩护梁,掩护梁与前后连杆,以及前后连杆与底座之间均用销轴将2部分铰连在一起。销孔与销轴间的接触点,随着加载方式和支架高度的不同而不同。对支架整体进行强度计算时,考虑接触问题,计算起来会占用较多的计算资源。因而在整架计算时,不采用接触问题求解,而采用目前常用的线弹性结构模拟法,将销轴件简化为梁元来进行计算。

2.3　计算结果的处理

支架有限元强度计算以《液压支架通用技术条

件》为计算依据,主要进行静力强度计算。这是考虑到支架在实际工作中基本上是以静力状态存在的,即使支架有降架、移架等运动,但其运动速度都较小且基本是处于匀速运动状态。

2.1　加载方式的确定

由于对支架进行组合加载能检测出液压支架的安全性,因此对支架进行强度计算时,采用组合加载方式进行计算,垫块的位置以《液压支架通用技术条件》规定的标准为准,使结果具有可比性。

2.2　边界条件及计算载荷

(1)屈服条件

(1)垫块荷载的处理

在复杂应力状态下,初始弹性状态的界限称为

屈服条件。一般来说,它是应力

、应变、时间,温度等

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液压支架

的函数。对液压支架来说,当材料发生屈服时,便认为该支架产生了破坏。

(2)支架计算破坏标准的选取

尽管材料的破坏现象比较复杂,但破坏形式主要为流动和断裂2种类型。所谓流动破坏是指塑性材料在轴向拉伸下,当应力达到屈服极限时,将出现明显的流动现象,这时材料出现的变形是不可恢复的塑性变形。这种情况下,构件不能正常工作,因此出现流动现象或塑性变形就是破坏的标志。所谓断裂破坏是指脆性材料在轴向拉伸下,当还没有明显变形时就突然断裂,断裂系破坏的标志。对于流动破坏,主要是根据形状改变比能理论来进行判决3　支架模型等效简化

,。但,,在建模时需对非危险部位的细节结构进行简化。简化方法如下:

(1)保留危险部位的细节结构;

(2)忽略不重要区的小孔及小尺寸结构;(3)焊缝的联接强度等于母材强度;

(4)把具有间隙联接的2个零件看成连续一体的一个零件(主要指销轴);

(5)略去工艺结构。

4　模型的建立

高应力为489.4MPa,位于顶梁柱窝附近肋板下,另

外斜梁同顶梁接触的柱销处应力也较高。

(2)顶梁偏载与底座扭转

采用顶梁偏载,底座扭转加载方式进行计算,即底座方垫块和顶梁垫块位于同一方向,

垫块位置如图2所示。在这种工况下,计算结果显示,最高应力为504MPa,位于过桥圆弧处。同时从应力图中也可以看出,底座销轴处应力也较大。

图2　垫块位置图

(3)顶梁偏载与底座集中载荷

将底座两端集中载荷进行加载,顶梁偏载下进行强度计算。在这种工况下,计算得最高应力为

495MPa,均出现在柱窝附近肋板处。

(4)顶梁扭转

计算结果显示,最高应力为522MPa,位于斜梁和顶梁连接的销轴处。除去该处的最高应力外,顶板其他地方最高应力为417MPa。

(5

)顶梁扭转与底座集中载荷

采用顶梁扭转加载,底座两端集中载荷加载。加载位置如图3所示。经计算,最高应力出现在方垫块加载的柱窝处,最高应力为491MPa。同时,由于扭转作用,斜梁各销轴处应力也较高。

模型采用SolidWorks三维建模软件构建。选用ZF4600Π17Π26H反四连杆液压支架进行分析,所有尺

寸严格依图纸要求进行绘制。

在具体构建模型时,首先构建底座、前后连杆、斜梁、顶梁和各销轴模型,然后进行组装。为节省时间和提高建模速度,各部件尽量采用单一实体方式,对于柱窝、柱帽由于形状稍微复杂,可以考虑装配方式

。5　网格划分

网格采用高精度网格划分,共有57348个单元、110175个节点。支架网格如图1所示。

图3　加载位置图

(6)顶梁两端集中载荷

顶梁两端集中载荷,计算得最高应力为213

MPa,位于梁中部柱窝肋板处。

(7)顶梁中部集中载荷计算得最高应力为450MPa,位于柱窝附近肋板处和顶梁与斜梁的销轴处。

(8)底座扭转垫块加载位置如图4所示。经计算最高应力为434MPa,位于过桥处。同时底座同斜梁结合的销轴、底座中部的联接板应力也较高,如图5所示。—

—8

1

图1　支架网格图

6　计算处理

(1)顶梁偏载

垫块加载位置在顶梁的一侧,计算结果显示最

液压支架

的存在,表现为应力集中现象;

(2)所有工况下,柱窝附近和垫块附近的应力值都较高;

(3)顶梁偏载时,顶梁、斜梁和前、后连杆上的

图4　

垫块加载位置图

应力都较大。在单个加载的情况下,其局部区域的应力值是整个加载过程中最大的;

(4)顶梁中间加集中载荷时,顶梁上应力值较大,其余构件应力则小得多;

(5)顶梁三点加载时,,最高应力

图5　最高应力分布图

11过桥

;

(6)顶梁上应力较大,;

,前部加偏载时,则最高应;

(8)前、后连杆的应力值在顶梁加偏载时和三点加载时应力值较高。

计算结果同实验室实测结果很接近,最大应力位置合理,基本上反映了支架受力特点。8　结语

(1)在整架有限元分析时,可以将支架模型进行简化处理;

(2)支架的最高强度分布表现为局部性、区域性存在,呈“应力集中”现象。因此,对支架设计而言,为节约成本,无需整架都采用高强板,而是在关键受力部位施以强度较高的板材;

(

3)在支架强度计算时采用三维建模有限元计算分析方法,可以改变常规力学方法无法处理一些结构件强度问题(例如过桥的强度分析),使得计算结果更加安全可靠。

作者简介:房虎林(1961-),陕西临潼人,山东天晟煤矿装备有限公司总工,高级工程师,现从事综采工作面液压支架的研发工作.

(9)

底座两端集中载荷

垫块加载位置如图,高应力为150,7所示。

图6　垫块加载位置图

图7　应力分布图

11过桥　21贴板

7　计算结果

分析了支架在9种工况下的静载应力情况,得

出如下结果:

(1)所有工况下,最高应力都呈局部性、区域性

收稿日期:2008206229

矿用新型水溶性带锈防锈漆的研制

兖州矿业(集团)有限责任公司研制的矿用新型水溶性带锈防锈漆可直接涂覆于带有锈蚀的钢铁表面,将铁锈转化为稳定的络化物,形成连续而致密的保护性封闭层,牢固结合于钢铁表面,从而达到防锈目的。

国内的防锈漆目前仍然以红丹漆和其他溶剂型防锈漆为主,因其毒性大、有刺激味、成本高,早已不适应经济发展的要求,所以研究一种无污染、高性能、施工方便、使用成本低、适合煤矿井下防腐要求的新型防腐涂料,具有显著的经济效益和社会效益。这种矿用新型水溶性带锈防锈漆是以多元醇树脂共聚乳液为基料,以水做分散介质,加入各种防锈添加剂和助剂,经化学转化、络合等反应而成的。固体填料和颜料采用三辊研磨机研磨。防锈剂的各组分在分散机中分散。应用实践表明,矿用新型水溶性带锈防锈漆比溶剂型油漆涂刷面积大1倍,配制与涂刷方便,涂装前工序简单,节约工时和费用30%～40%,对施工者无任何损害;在特殊条件下使用时安全可靠,对环境没有任何污染。李剑峰　供稿

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