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两柱掩护式液压支架接触分析

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2008年第1期 煤矿机 电 ・73・ 两柱掩护式液压支架接触分析 郑晓雯,陈贤飞,刘宇,王耀辉,石启伟 (中国矿业大学机电与信息工程学院,北京100083) 摘要: 用非线性有限元技术模拟液压支架主要结构件的应力分布情况,以改善结构设计。 关键词: 液压支架;接触分析;结构应力分布;ANSYS—Workbench 中图分类号:TD355 .3 文献标识码:B 文章编号:1001—0874(2008)01—0073—02 Contact Analysis of Bi—column Shield Hydraulic Support ZHEN Xiao—weft,CHEN Xian-fei,LIU Yu,WANG Yao—hui,SHI Qi—wei (1.School of Mechanio—Electronic&Information Engineering,China University of Mining&Technology,Beijing 100083,China) Abstract:The nonlinear finite element analysis is used to simulate the stress distirbution on main structUral elements of hydraulic support for further improving the design of structure. Keywords:hydraulic support;contact analysis;structural stress distribution;ANSYS—Workbench 液压支架支护和控制工作面顶板,推移采煤机 代法求解。因很难给出某种加载方式下的接触边 和输送机,对采煤生产效率有巨大影响…。本文讨 界,同时也无法保证非线性迭代的收敛性。 论了接触分析在液压支架设计中的应用。 (2)粘结法 1三维模型的建立 由于销轴联接变形非常小,故可将销轴及销轴 联接的结构件模型人为地建成一个整体。这种局部 进行有限元分析先要建立液压支架三维模型, 简化不会对整体结构产生太大影响,且便于工程应 难点在于模型的简化。简化模型必须能准确反映液 用,但在大变形情况下会带来较大误差 J。 压支架的受力状况和边界条件。 (3)梁单元模拟法 本文采用Pro/E软件创建ZY6000/25/50型两 用梁单元模拟销轴连接的支架部件。 柱掩护式支架顶梁、掩护梁、底座、前后连杆等部件 (4)刚性区梁单元法 的模型,并进行装配。根据我国MT312。2ooo(液压 通过部件连接孔的圆周节点处定义刚性区模拟 技术通用技术条件》的要求,在顶梁受扭转载荷时, 销轴的横截面,然后应用梁单元来模拟销轴,实现相 支架高度为支架最大结构高度减去1/3支架行程, 邻部件的连接。 因此,支架分析高度应为4200mm。 3载荷和约束的设置 2结构件接触问题的处理 在液压支架型式强度试验中,在支架不同位置 随着计算机技术的发展,有限元方法虽已应用 放置垫块A、B、C、D(图1)模拟支架在井下的受力 于液压支架设计,但仍存在诸多难点,销轴连接就是 工况 J。分析采用内加载方法,即试验时限定顶梁 其中之一。销轴连接部位的处理可以采用以下几种 和底板的位移条件,通立柱柱窝施加支架工作阻力, 方法: 使支架产生应力和位移。添加的载荷为立柱工作阻 (1)接触法 力的1.2倍,如表1所示。 生产现场顶板和底板对支架施加的载荷千变万 化,液压支架部件间的接触状况也随着变化,解决这 4有限元分析 类接触问题需要给出接触条件和接触边界,要用迭 本文采用ANSYS--Workbenck软件进行液压支 维普资讯 http://www.cqvip.com ・74・ 煤矿机 电 2008年第1期 架有限元仿真分析。Workbench是用ANSYS求解 实际问题的新一代产品,它给ANSYS的求解提供了 强大的功能,为CAD系统和用户设计提供全新的平 台,保证最好的CAE结果。 (1)模型的导人 将Pro.E中创建的实体模型导人到Workbench 中,Workbench和Pro.E有良好的接口,可以( . igs);STEP( .stp);ACIS( .sat);Pro/Engineer (木.prt木;木.asm木);Parasolid Text(木.x.t;木. 图1垫块的位置 xmt.txt)等几种格式导人到Workbench中。 表1载荷和约束 (2)定义材料和网格划分 定义材料的弹性模量2.06 X 10 MPa,泊松比取 0.3 E4]。用四面体网格划分模型,整个支架划分得 47951个单元,94853个节点。 囊髓弱潞9859.6446} (3)定义边界条件和载荷 .819 998由于垫块限制了顶梁的移动,可以用fixed sup— 蕤}鏊8{15{4=.3175; 42一0.070 _.8791} port命令约束垫块A、B的六个自由度。底座的边 界条件可以用displacement命令约束垫块c、D的z 方向(立柱方向)的位移为零,这样可以减少应力集 中。将力F1、 分别除以立柱上柱窝表面积和立 柱下柱窝表面积,得到表面压力P1=90MPa,P2= 48MPa。用pressure命令施加压力载荷。 图2应力分布云图 (4)定义接触 (2)底座承受较大的应力,底座主筋板应力值 把所有销轴接触对定义为面面接触,总共定义 达到360MPa。前后连杆和掩护梁上的应力值在0 了10个接触对。有四种接触类型可供选择:绑定、 ~150MPa之间,最大值出现在销轴连接处。 不分离、无摩擦以及粗糙接触。绑定的和不分离的 (3)液压支架结构件主要采用Q46o合金钢, 接触是最基础的线性行为,仅仅需要一次迭代。无 屈服应力 =460MPa,设计中支架结构件应力集中 摩擦以及粗糙接触是非线性行为,需要多次迭代。 处安全系数控制在1.2~1.35之间,满足支架设计 但都是利用小变形理论的假设。有摩擦接触是在无 规范的要求。 摩擦的基础上定义一个摩擦系数,销轴摩擦系数可 由销轴的应力云图知,销轴应力值在0— 以定义为0.15。调整接触刚度定义为0.1。 133MPa之间。 参考文献: 5有限元分析结果 [1]王国法,等.液压支架技术[M].北京:煤炭工业出版社,1999 [2]魏磊磊,等.液压支架销轴联接的约束处理[J].矿山机械, 图2是ZY6000/25/50型液压支架扭转工况下 2006(6) 非线性有限元分析后的应力分布云图,由图能分析 [3]宁桂峰.液压支架三维动态设计与力学仿真研究[D],北京: 各结构件在扭转工况下的应力分布情况,并能获取 煤炭科学研究总院,2004 任意节点的应力值。从分析结果可以得出: [4] 王进军.放顶煤液压支架的整架强度有限元分析[J].煤矿机 (1)支架整架应力值在0~385MPa之间。应 械,2005(3) 作者简介:关即尧雯(1958一),女,博士,副教授。1981年毕业于西安 力的最大值出现在顶梁的主筋板和筋板的结合处, 科技大学。 在顶梁扭转约束工况下,顶梁主筋板处可能会出现 (收稿13期:2007—09—25;责任编辑:陶驰东) 

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