ZF7200型放頂煤液壓支架的有限元分析

劉建英，劉 軍

（河南工程學(xué)院機械工程系，河南鄭州 450007）

ZF7200型放頂煤液壓支架的有限元分析

劉建英，劉 軍

（河南工程學(xué)院機械工程系，河南鄭州 450007）

依據(jù)國內(nèi)最新制定的液壓支架試驗標(biāo)準(zhǔn)，選取ZF7200型放頂煤液壓支架，分析了其整架有限元受力情況，通過對該架模擬仿真，不僅得出整個ZF7200型放頂煤液壓支架的應(yīng)力和變形分布，而且得出重要結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布狀況，為放頂煤液壓支架的設(shè)計提供理論依據(jù)。

液壓支架;有限元;分析

Finite Element Analysis of ZF7200 Top-coal Caving Powered Support

針對液壓支架試驗的現(xiàn)狀，提出利用Solid-Works結(jié)合Simulation對ZF7200液壓支架進行三維建模和空間受力分析，從而為設(shè)計ZF7200液壓支架及其重要結(jié)構(gòu)件提供參考信息，以解決樣機試驗中存在的問題。

1 制定分析方案

1.1 工程實際問題

對ZF7200放頂煤液壓支架進行有限元分析，支架具體參數(shù)如表1。

表1 ZF7200型掩護式液壓支架參數(shù)

1.2 確定分析類型

液壓支架型式試驗按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行［1－3］，型式試驗是模擬井下各種危險工況對支架進行加載，是檢驗支架的設(shè)計和制造質(zhì)量的重要方式。

本文只對頂梁扭轉(zhuǎn)和底座兩端集中載荷 （簡稱工況1）、頂梁偏載和底座兩端集中載荷 （簡稱工況2）進行支架主體結(jié)構(gòu)件的強度分析。

根據(jù)我國最新制定的《液壓技術(shù)通用技術(shù)條件》（MT312－2000）對液壓支架進行有關(guān)強度試驗。工況1試驗時，支架高度為支架的最大高度減去行程的1/3，根據(jù)ZF7200型掩護式液壓支架的參數(shù)可算出其試驗支架高度為2800mm;工況2試驗時，支架高度為支架最低高度加300mm，支架試驗高度為2100mm。工況1條件下試驗壓力為額定壓力的1.2倍，即8640kN;工況2條件下試驗壓力為額定壓力的1.1倍，即7920 kN。

1.3 分析軟件選取

采用SolidWorks構(gòu)建支架三維實體模型，以SolidWorks Simulation對支架進行靜強度分析。

2 ZF7200型放頂煤液壓支架的有限元分析

2.1 創(chuàng)建特征模型

SolidWorks軟件的零件環(huán)境中通過特征造型生成支架的所有部件模型，然后在裝配環(huán)境中進行裝配?？傃b模型如圖1所示。

圖1 液壓支架三維實體模型

2.2 定義材料屬性

零部件的材料為Q465，其屬性如表2所示。

2.3 劃分網(wǎng)格

整機網(wǎng)格劃分采用四面體實體網(wǎng)格單元，結(jié)果如圖2所示。網(wǎng)格化后，最大單元大小60mm，最小單元大小12mm，節(jié)總數(shù)256390個，單元總數(shù)135416個。

表2 Q465材料明細

圖2 液壓支架整機網(wǎng)格化

2.4 定義邊界條件

由于實際受載情況復(fù)雜，為了簡化起見，對墊塊進行固定。底座和前連桿、底座和后連桿、掩護梁和前連桿、掩護梁和后連桿、掩護梁和頂梁均采用銷釘約束來代替實際的銷，以減少計算量，零件之間采用無穿透接觸。

在計算中不把試驗臺對墊塊的作用力當(dāng)作外力來考慮，而是將墊塊作為ZF7200放頂煤液壓支架整個結(jié)構(gòu)的邊界約束條件來處理。對于ZF7200放頂煤液壓支架的內(nèi)加載實驗來說，外載荷只有立柱對頂梁和底座柱窩所加的載荷。對于ZF7200放頂煤液壓支架主結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析中，不考慮立柱和柱窩的局部應(yīng)力，因此，假定立柱傳遞給柱窩的外力均勻作用于柱窩表面［7－8］。

2.5 求解

根據(jù)分析類型，本分析選擇FFEPluss求解器進行計算。

2.6 后處理

工況1有限元分析應(yīng)力云圖、位移云圖及頂梁應(yīng)力分布，見圖3～圖5。

從有限元分析的云圖結(jié)果可以看出，在工況1下，應(yīng)力集中在頂梁和底座的中部，與實際受力情況相符。用應(yīng)力探測器探測頂梁主要受載部位應(yīng)力在允許的范圍之內(nèi)，由圖示可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在加載塊附近，這是由于試驗加載引起的應(yīng)力集中，并且遠離主要受載區(qū)，所以不予考慮，因此，在本工況下液壓支架是安全的。

工況2有限元分析應(yīng)力云圖、位移云圖及頂梁應(yīng)力分布，見圖6～圖8。

圖3 工況1下整架應(yīng)力

圖4 工況1下整架位移

圖5 工況1下頂梁應(yīng)力分布

圖6 工況2下整架應(yīng)力

從有限元分析的云圖結(jié)果可以看出，在工況2下，頂梁和底座的變形較大，與實際工況受力變形一致。用應(yīng)力探測器探測頂梁主要受載部位應(yīng)力在允許的范圍之內(nèi)，由圖示可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)在加載塊附近，這是由于試驗加載引起的應(yīng)力集中，并且遠離主要受載區(qū)，所以不予考慮，因此，在本工況下液壓支架是安全的。

圖7 工況2下整架位移

圖8 工況2下頂梁應(yīng)力分布

3 結(jié)論

通過本文的研究，解決了ZF7200型放頂煤液壓支架的三維建模與靜強度分析，得出ZF7200型放頂煤液壓支架的應(yīng)力、變形情況，以及重要結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布情況，為放頂煤液壓支架的設(shè)計提供理論依據(jù)。

［1］中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).MT312－2000液壓支架通用技術(shù)條件［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000.

［2］魯忠良，景國勛.液壓支架設(shè)計使用安全辨析［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2006.

［3］趙衡山.國內(nèi)液壓支架試驗規(guī)范淺析［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，1997，25（3）:18－20.

［4］杜長龍，肖世德.液壓支架計算機輔助分析與設(shè)計［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2001.

［5］王國法，徐亞軍，等.液壓支架三維建模及其運動仿真［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2003，31（5）:78－81.

［6］張立榮.三維CAD技術(shù)在機械設(shè)計中的應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2011（2）:16－18.

［7］梁 超.基于SolidWorks的液壓支架四連桿機構(gòu)變參數(shù)化仿真分析［J］.礦山機械，2011，39（3）:18－20.

［8］趙喜敬，于淑政，范進楨，等.低位放頂煤液壓支架的運動模擬分析［J］.礦山機械，2000，28（5）:25－26.

TD355.41

B

1006-6225（2012）01-0072-03

2011－09－19

劉建英 （1973－），女，山西大同人，講師，在讀博士生，主要從事機械方面的教學(xué)和研究。

［責(zé)任編輯:徐亞軍］