基于UG的液壓支架推移框架的有限元分析

(山西輕工職業(yè)技術(shù)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(shè)備之一，始終處于復(fù)雜惡劣的工作環(huán)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(zhì)條件，支架受載荷情況也是復(fù)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(xiàn)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(xiàn)故障，將嚴重地制約著工作面的正常生產(chǎn)[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(jié)構(gòu)的Vomises應(yīng)力云圖與位移云圖。通過推移框架的Vomises應(yīng)力云圖與位移云圖，可以直觀地得到不同工況條件下的應(yīng)力危險區(qū)域及推移框架結(jié)構(gòu)中剛度薄弱的位置[3-5]，為今后對推移框架結(jié)構(gòu)改進、受力狀況的改善、重量減輕提供了理論依據(jù)。

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(shù)，取0.3；

m—支架的質(zhì)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(shù)，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?shù)幕钊睆?，?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?shù)幕钊睆?，?60 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(chǎn)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(xiàn)下滑現(xiàn)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(jié)構(gòu)，在拉架時產(chǎn)生向上的分力，支架的后端會不可避免發(fā)生下滑。為防止下滑，在5600/20/42支架底座尾部有一套自身調(diào)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(jié)構(gòu)[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(chǎn)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(xiàn)大面積片幫。從而保證了工作面的安全生產(chǎn)[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(yè)狀態(tài)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(nèi)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(tài)力學分析：

1)回采工作面俯采時，運輸機受到推移千斤頂?shù)南蛏系妮d荷作用，推移框架也隨之抬起，這時θ<10°，根據(jù)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?shù)南蛳碌妮d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(tài)，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(jù)其受載情況，可認為推移框架是一個懸臂梁受力狀態(tài)。

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(jié)構(gòu)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(wǎng)格劃分，得到有限元模型，如圖1所示[10]。

2.2 靜態(tài)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(yīng)力云圖與應(yīng)變云圖。分析結(jié)果如圖2-圖7所示(圖中應(yīng)力單位：MPa，應(yīng)變單位：mm)。

從推移框架的Vomises應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖分析可知：

1)在3種不同工況受載狀態(tài)下，最大應(yīng)力Smax=184.6 MPa，材料的許用應(yīng)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(yīng)力較大。因此，載荷作用端與變截面焊接處都是極易發(fā)生疲勞損壞甚至發(fā)生斷裂的部位。

2)由應(yīng)變云圖可知：在工況1與2推移框架同時出現(xiàn)了軸向應(yīng)變和彎應(yīng)變。因此，在回采過程中應(yīng)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(huán)境中運行。

3 結(jié)論

液壓支架的推移框架是由鋼板焊接組成的構(gòu)件，其在拉架、推溜過程中的靜態(tài)力學分析不僅與計算強度有關(guān)，而且與推移框架的結(jié)構(gòu)、受力狀態(tài)、焊縫布置等多種因素有關(guān)。本文首先利用數(shù)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(tài)力學分析，得到了推移框架結(jié)構(gòu)的薄弱位置。得出以下結(jié)論：

1)由于在第1種工況條件下的應(yīng)力與應(yīng)變都為最大，因此需要在俯采條件下對推移框架結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，以改善其受力狀態(tài)，降低俯采時的故障率。

2)由于在斷面變化處應(yīng)力也較大，因此需要在今后應(yīng)用中簡化推移梁體結(jié)構(gòu)，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(yīng)力較大，應(yīng)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(yīng)性分析[J].煤炭技術(shù)，2010，29(12)：4-6

[2] 王國法.液壓支架技術(shù)[M]. 北京：煤炭工業(yè)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(guān)鍵技術(shù)研究與優(yōu)化設(shè)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(gòu)的改造及應(yīng)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(yè)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(tài)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(jié)構(gòu)改進及強度分析[J].機械設(shè)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