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      礦井液壓支架底座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

      2021-07-28 05:44:08王銳兵
      機(jī)械管理開發(fā) 2021年6期
      關(guān)鍵詞:耳板墊塊底座

      王銳兵

      (山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治 046699)

      引言

      礦井液壓支架是綜采工作面的安全生產(chǎn)設(shè)備。液壓支架通過自身的結(jié)構(gòu)作用力,保障一線作業(yè)人員有足夠安全的作業(yè)空間。通過支撐上部圍巖的重量,確保煤炭開采能夠順利進(jìn)行。液壓支架通過液壓缸內(nèi)高壓油液對各個承載部件進(jìn)行伸縮,根據(jù)工作面的地質(zhì)形狀改變支撐位置,關(guān)系到整個開采過程的生產(chǎn)安全。面對惡劣的礦井環(huán)境,液壓支架的升柱、降柱都受到了較大的沖擊載荷以及振動力作用。尤其是液壓支架的底座是承載上部載荷的關(guān)鍵部件,底座的抗沖擊性能關(guān)系到液壓支架的安全性[1]。由于地質(zhì)情況的變化,底座發(fā)生受扭破壞的情況較多,在設(shè)計(jì)時所選用的安全系數(shù)較低,容易使得支架發(fā)生傾倒。因此,應(yīng)提升液壓支架底座的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并且實(shí)現(xiàn)減重設(shè)計(jì)。

      1 ZF3880/20/30型液壓支架簡介

      ZF3880/20/30型液壓支架主要應(yīng)用于中薄煤層,其組成構(gòu)件包括頂梁、底座、立柱、尾梁等關(guān)鍵部件。單個液壓支架的質(zhì)量為11.54 t。在綜采工作面中,對礦井惡劣作業(yè)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng),尤其在坡度小于10°傾斜煤層中能充分發(fā)揮出工作性能[2]。該型號液壓支架可沿底板一次性放頂煤作業(yè),在緊急或特殊環(huán)境中也可用急傾斜特厚煤層,實(shí)現(xiàn)綜采工作面的分層放頂煤開采。主要的性能特點(diǎn)為縱橫向穩(wěn)定性好、支護(hù)能力較強(qiáng)、作業(yè)靈活性較高、對頂板適應(yīng)性強(qiáng)[3]。

      2 液壓支架底座仿真模型的建立

      2.1 工具軟件的連接

      為了確保ZF3880/20/30型液壓支架仿真計(jì)算有良好的兼容性,采用Pro/E三維建模軟件與ANSYS Workbench仿真軟件相結(jié)合,通過CAD/CAE的通訊接口實(shí)現(xiàn)仿真協(xié)同環(huán)境的建立。利用Pro/E在三維建模方面的專業(yè)性以及ANSYS Workbench強(qiáng)大的仿真計(jì)算及優(yōu)化模塊,對液壓支架底座進(jìn)行仿真計(jì)算。

      2.2 液壓支架底座三維模型建立

      采用Pro/E軟件建立液壓支架底座時,有必要對結(jié)構(gòu)的零碎構(gòu)件進(jìn)行去除,適當(dāng)進(jìn)行簡化處理,提高仿真計(jì)算的效率并且避免網(wǎng)格畸形。簡化位置主要包括倒角、圓角、小孔等對整體受力影響不大的部位。作出適當(dāng)?shù)募僭O(shè),將焊接部位看作是整體結(jié)構(gòu)的一部分。按照ZF3880/20/30型液壓支架底座1∶1的大小建立起底座三維模型,如圖1所示。

      圖1 液壓支架底座三維模型示意圖

      2.3 液壓支架底座仿真網(wǎng)格模型

      首先應(yīng)該對液壓支架的底座材料進(jìn)行設(shè)定,設(shè)置整體材料為Q550高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,具體參數(shù):彈性模量為2.06e+5 MPa、波松比為0.28、屈服強(qiáng)度為550 MPa、抗拉強(qiáng)度為630、伸長率為>16%[4]。為了提高液壓支架底座的計(jì)算精度,采用8節(jié)點(diǎn)6面體網(wǎng)格單元,對底板耳板、柱窩容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位,將網(wǎng)格進(jìn)一步細(xì)化。網(wǎng)格單元數(shù)目為647 188節(jié)點(diǎn),數(shù)目為1 046 578,如下頁圖2所示。

      圖2 液壓支架底座網(wǎng)格模型圖

      其次設(shè)置液壓支架底座的邊界條件,將底座下部的大地模型設(shè)置為無反射邊界,將底座三個方向X、Y、Z進(jìn)行位移約束[5]。由于底座受到的液壓作用力為動載荷形式,考慮到底座極限受力情況,采用最大靜態(tài)力的分析方法,施加靜態(tài)作用力大小為動載力的1.5倍,作用力大小為8 320 kN,底座每個柱窩處的大小為2 080 kN。

      3 液壓支架底座仿真計(jì)算結(jié)果

      由于液壓支架底座受到兩端的集中載荷,通過米塞斯應(yīng)力分布云圖可得出底座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值范圍。由圖3可知,底座的應(yīng)力最大值為93.46 MPa,在底座材料的安全強(qiáng)度范圍。在底座的耳板、柱窩、墊塊的部位應(yīng)力較為集中。可以得出連接底座,兩塊肋板之間的過橋構(gòu)件,雖然過橋部件中段應(yīng)力值較小,但是與肋板連接處有應(yīng)力集中現(xiàn)象,容易發(fā)生開裂[6]。此處可適當(dāng)設(shè)計(jì)為圓角結(jié)構(gòu),減小應(yīng)力集中現(xiàn)象。從仿真計(jì)算結(jié)果分析,在滿足底座材料強(qiáng)度安全的情況下,可減輕底座整體質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

      圖3 優(yōu)化前液壓支架底座應(yīng)力(Pa)云圖

      4 液壓支架底座優(yōu)化設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果對比

      4.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

      利用ANSYS Workbench仿真軟件中的優(yōu)化模塊,將底座的柱窩高度、耳板厚度、墊塊寬度等三個參數(shù)設(shè)置為優(yōu)化變量。以材料屈服強(qiáng)度為設(shè)計(jì)限值,設(shè)置柱窩高度變化范圍為315~385 mm、耳板厚度變化范圍為54~66 mm、墊塊寬度變化范圍為144~176 mm。現(xiàn)有液壓支架底座質(zhì)量為16.09 t,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)變量,實(shí)現(xiàn)支架底座重量的下降。

      4.2 優(yōu)化參數(shù)的確定

      Workbench仿真軟件的優(yōu)化模塊中,采用插值的計(jì)算方式,將柱窩高度、耳板厚度、墊塊寬度三個參數(shù)進(jìn)行正交計(jì)算優(yōu)選,并且以結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度和重量為目標(biāo),開展三個參數(shù)的靈敏性分析得出,底座的柱窩高度對整體質(zhì)量起決定性作用,而另外兩個變量-墊塊寬度與耳板厚度對底座的質(zhì)量影響效果不明顯,即底座質(zhì)量對柱窩高度變化最為敏感。同時將結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì)列為優(yōu)先級,優(yōu)化后的最大等效應(yīng)力數(shù)值的1.5倍不得大于Q550材料的屈服強(qiáng)度,保證底座結(jié)構(gòu)的安全,整體質(zhì)量保持在12 943 kg,并且發(fā)生了35.89 mm的位移。經(jīng)過計(jì)算,柱窩高度優(yōu)化為324.44 mm、耳板厚度優(yōu)化為54.066 mm、墊塊寬度優(yōu)化為145.04 mm。按照初始條件,重新建立起底座的仿真網(wǎng)格模型,對優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析。

      4.3 優(yōu)化前后對比分析

      圖4為優(yōu)化后底座等效應(yīng)力云圖,由優(yōu)化結(jié)果可知:

      圖4 優(yōu)化后底座應(yīng)力(Pa)云圖

      1)最大等效應(yīng)力有了明顯的提高,但依舊出現(xiàn)在與墊塊接觸位置,因?yàn)檫@個位置是固接引起的應(yīng)力集中區(qū)域,可以直接忽略;

      2)優(yōu)化后雖然應(yīng)力有所增大,不過尚未達(dá)到本次優(yōu)化所用材料Q550的屈服強(qiáng)度,與之前對比應(yīng)力分布更為均勻,以靜力學(xué)為理論依據(jù),可以判斷出本次優(yōu)化是可行的;

      3)底座變形雖有所提高,但仍滿足其剛度需求;

      4)經(jīng)過優(yōu)化,底座的質(zhì)量減少了3 142 kg,從16 085 kg降低到12 943 kg,同時滿足了強(qiáng)度和剛度的要求,制造成本降低了19.54%左右,對底座的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行了調(diào)整。因此,本次優(yōu)化結(jié)果實(shí)現(xiàn)了降低成本的優(yōu)化目的。

      5 結(jié)語

      為了提升液壓支架在礦井綜采工作面的結(jié)構(gòu)可靠性和使用壽命,對其關(guān)鍵部件——底座進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。通過對底座關(guān)鍵設(shè)計(jì)變量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,使得整體結(jié)構(gòu)的作用力分布更加均勻,減小了應(yīng)力集中現(xiàn)象,并且在滿足材料強(qiáng)度安全范圍的情況下,實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)減重設(shè)計(jì),提高了液壓支架制造廠商的經(jīng)濟(jì)效益。

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