两柱掩护式液压支架接触分析

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）