煤矿液压支架在实际工况下的结构有限元应力分析_李旭东.pdf

煤矿液压支架在实际工况下的结构有限元应力分析李旭东（山西铺龙湾煤业有限公司，山西左云037100）摘要：主要对液压支架的结构进行应力分析，在此基础上对现有液压支架设计的薄弱环节进行了展示并提出了设计优化方向。利用有限元的方法可以处理传统力学方法不能处理的结构强度问题，使结果更加安全可靠。关键词：煤矿；液压支架；结构；有限元；强度安全中图分类号：TD355.4文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0033-020引言液压支架主要由轴承结构部件、液压缸、控制部件和辅助装置组成。液压支架的顶梁、掩护梁、底座和连杆的承重结构部件均为箱型结构的横梁。这些箱体的截面形状分为四种，分别为多室箱体、非对称封闭多室箱体、多室局部孔板箱体和单双室箱体。支架的箱形结构采用焊接方式连接，焊缝常采用搭接接头、丁字接头和角接接头。传统的支座应力分析主要应用材料力学和弹性力学的方法，将箱形结构简化为符合小挠度理论的梁结构。由于常规力学不能处理结构部件的某些机械强度问题，其结果是不安全或不可靠的。因此，为了模拟支架的真实受力情况，本文采用有限元法进行应力分析，针对液压支架在实际工况条件下的受力状态进行研究，分析其结构薄弱处，为液压支架制造厂商在设计制造时提供指导。1支架框架结构的有限元分析利用 SolidWorks 三维建模软件按照图纸要求建立液压支架的三维模型，然后直接调用 SolidWorks 界面中的 COSMOS 模块进行受力分析。为了有针对性地开展优化设计，在液压支架试验标准通用技术条件的基础上，分析比较复杂条件下液压支架多种不同加载情况下的结果，得出液压支架的受力情况。1.1支撑模型由于结构复杂，所以根据物理结构对液压支架进行全面分析是非常困难的。因此，有限元分析模型的建立应根据起主导作用的因素，在划分模型网格时省略一些次要因素，如孔洞。由于模型必须反映危险区域的应力，因此有限元模型应尽可能保持原始物理结构的细节。1.2负载假设支架不仅要承受来自立柱的支撑载荷，还要承受来自岩石的压力载荷，所以把来自支架的力作为边界条件处理；假设从柱传递到柱底的力均匀地作用在柱表面；随着加载方式和支撑高度的变化，销孔与销轴的接触也发生变化。强度计算将占用更多的资源，因此销轴可以作为梁单元处理。1.3调用 COSMOS 模块建立有限元分析模型利用 SolidWorks 建立模型，调用 COSMOS 模块，在 SolidWorks 界面生成液压支架的有限元模型。接下来，使用有限元方法进行应力分析。支架ZF5600/16.5/26的 COSMOS 有限元分析模型如图 1 所示。2液压支架有限元模型的计算和分析2.1载荷边界条件利用有限元方法，通过计算机模拟支架在不同条件下的受力情况，可以对其位移、应力、应变分布进行更加准确和全面的分析。在两端集中载荷的作用下，支座前后的变形和应力分布均匀。虽然前后柱受力不相等，但支架并没有承受较大的集中应力，所以支架整体相对稳定，虽然有前倾趋势。液压支架横梁两端的集中载荷如下页图2 所示。下页图 3 显示了液压支架横梁两端集中载荷的应力。下页图 4 显示了液压支架横梁两端集中载荷的应变。对液压支架横梁两端集中载荷进行分析，梁两端集中荷载的最大变形为 5.556 mm，最大等效应力为477.1 MPa，最大等效应变为 0.001 567。最大应力和变形主要分布在支架前柱下部前端以及支架前柱与顶梁和底座接触的柱脚周围区域。根据顶梁后端扭转载荷分析结果，支架顶梁后端最大扭转变形为 12.79 mm，顶梁最大等效应力为收稿日期：2022-08-01作者简介：李旭东（1989），男，山西怀仁人，毕业于石家庄职工大学煤矿开采技术专业，大专，现就职于山西铺龙湾煤业有限公司调度室，任科员，助理工程师，研究方向为采矿工程。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.013图 1COSMOS 有限元分析试验研究机械管理开发第 38 卷447.6 MPa，最大等效应变为 0.004 105。由图 4 可知，最大应力和应变主要分布在支柱与顶梁和底座接触的柱脚周围区域。另外，作用在支撑前柱下部的应力较大。在后端扭转载荷的作用下，应力均匀分布在整个支架上,没有明显的应力集中现象。当后端支撑梁承受扭转载荷时，作用在销钉上的剪力和轴力都较大。顶梁和掩护梁左侧的销钉承受最大的剪切力和轴向力。2.2载荷施加结果1）顶梁偏载分析。在偏载作用下，顶梁的最大变形为 7.961 mm，承受的最大等效应力为 516.4 MPa，最大等效应变为 0.002 367。最大位移发生在支座无垫块一侧。最大应力分布在液压支架底部承受偏载的一侧，以及支柱与顶梁和底座接触的柱脚周围区域。当受力侧受偏载作用时，变形和应力明显，柱受力不均，特别是柱的受力侧会承受更大的应力集中。当负载特别大时，液压支架本体有向偏载侧前倾的趋势。安装在掩护梁左、右两侧的销钉承受更大的剪力和轴向力。安装在后连杆底座上的销也受到很大影响。2）底座前端扭转载荷的分析。前端最大扭转变形为 8.102 mm，底座最大等效应力为 589.4 MPa，最大等效应变为 0.006 328。最大应力和变形主要分布在支座前部无垫块一侧。在前部扭转载荷作用下，支座前部受力侧受力影响明显，而后端受力基本平均。支撑柱承受的力不相等。支架负载侧的扭曲大于另一侧，支撑体具有扭转变形趋势。同时，位于顶梁和掩护梁左右侧铰接处的销钉承受不相等的剪力。位于前横拉杆掩护梁、后连杆掩护梁、后连杆底座以及前横拉杆铰接处的销承受较大的剪力。3）基底中部集中荷载的分析。作用在基础前部的集中荷载最为明显，变形为 1.065 mm，其所受的等效应力在底座和条形垫块接触的区域以及四个柱脚之间的区域最为明显，最大值为 331.6 MPa，最大等效应变为 0.002 428。最大应力区分布在支撑前柱与顶梁和底座接触的柱膝周围区域，以及承受集中载荷作用的条形区域。当承受集中载荷的基础作用时，力集中在作用面上。与顶梁杆式集中载荷相比，位于支架铰接处的每个销承载更小的载荷。位于顶部和掩护梁的左右侧、后连杆掩护梁铰接处以及后连杆底座铰接处的销受到较大的剪切阻力。3液压支架有限性分析结果讨论上述分析涉及五种不同的载荷条件，得出：在所有条件下，最大应力都是局部分布的，因此存在应力集中现象；在所有工况下，柱脚和垫板附近的应力都很大；在顶梁两端施加集中载荷时，顶梁上的应力较大，而其他构件上的应力较小；当顶梁承受部分载荷时，顶梁、斜梁和连杆上的应力都很大。单一载荷下，局部应力最大；当基底承受荷载时，最大应力位于桥区；无论是集中载荷还是部分载荷，前后连杆上的应力都很大。在上述条件下计算的结果非常接近实验室获得的真实数值，最大应力应变位置与实际结果一致。分析结果基本反映了支架的受力特点，在设计液压支架时应当考虑上述受力特点。4结语根据图纸的真实尺寸，利用 SolidWorks 软件建立了 ZF5600/16.5/26 型号的液压支架的三维模型，然后直接调用 SolidWorks 界面中的 COSMOS 模块进行受力分析。这种方法可以解决传统力学不能处理的力学强度问题，使结果更安全、可靠和节约成本。更重要的是，它可以缩短设计周期，液压支架设计厂商可以参考研究结果，对液压支架的结构以及设计方向进行部分调整，更好地满足工程现场的实际要求。（编辑：李俊慧）图 2ZF5600/16.5/26 型液压支架横梁两端的集中载荷图 3两端集中载荷的应力图 4液压支架梁端两端集中载荷的应变4.771e+0084.373e+0083.975e+0083.578e+0083.180e+0082.783e+0082.385e+0081.988e+0081.590e+0081.193e+0087.951e+0073.975e+0070.000e+000von Mises（N/m2）ESTRN1.567e-0031.436e-0031.306e-0031.175e-0031.045e-0039.141e-0047.835e-0046.529e-0045.223e-0043.917e-0042.612e-0041.306e-0040.000e+000（下转第 37 页）342023 年第 6 期矩最大为 163.75 kN m。在 30%负载启动工况下，对应的 CST 装置的输出转矩最大为 255.14 kN m，刮板输送机负载链轮的输出转矩最大为 249.73 kN m8-9。3.2双电机驱动系统控制特性研究针对双电机驱动系统的控制特性，重点对其功率平衡的控制效果进行研究。针对双电机驱动系统所配套的 PID 控制器中，对应的比例环节系数为 1.5、积分环节系数为 1/3.5、微分环节系数为 0。设定仿真总时长为 60 s，功率平衡控制介入时间在 40 s 的时刻点，所得的仿真结果如图 5 所示。如图 5 所示，在 40 s 之前，刮板输送机机头电机的电流大于机尾电动机，说明机头电机功率大于机尾，即两电机的功率不平衡。在 40 s 功率平衡控制系统介入后，在约 2 s 后机头和机尾电动机电流相同，即实现了机头、机尾两电动机功率平衡的控制目标。4结论刮板输送机为煤矿综采工作面的与采煤机和液压支架配套的运输设备，其运输效率和安全性对于煤炭的生产效率具有重要意义。本文重点开展了 CST软启动装置在刮板输送机驱动系统的应用效果仿真分析，尤其是对单电机和双电机驱动系统控制特性进行了研究，并总结如下：1）在带负载启动工况下，30%的负载时刮板输送机链速达到给定速度相比于空载工况延后了大约 3.3s；CST 输出转矩从机头传递至机尾相对之后与空载工况约 2.9 s。而且，当电机无法实现 40%负载工况下的启动需求。2）随着刮板输送机负载的增加，对应 CST 装置和刮板输送机负载链轮的输出转矩均在增加。3）双电机驱动系统中引入功率平衡控制策略可实现机头电动机和机尾电动机功率平衡的控制。参考文献1陆文程，赵继云，张德生，等.大功率刮板输送机软启动技术分析J.煤炭科学技术，2009（10）：35-36.2张庚云，刘伟，王腾.大功率刮板输送机软启动过程仿真研究J.煤炭科学技术，2013，41（4）：27.3杨健康，郭建廷.3.3 kV 供电的刮板输送机软启动技术现状分析J.中国煤炭，2011，37（7）：112-114.4郭卫，呼延辉，路正雄，等.基于钢珠离合器的刮板输送机软启动特性分析J.煤炭技术，2016（2）：89.5乔红兵，焦峰，李玉鑫，等.刮板输送机软启动监控系统设计J.煤炭技术，2021，40（9）：73-74.6毛君，赵金元.刮板输送机的启动动力特性与软启动技术J.煤炭科学技术，2002，30（2）：19.7张彦禄，王腾，宋德军，等.刮板输送机液力偶合器软启动系统研发J.煤炭科学技术，2014（9）：61-66.8李隆，崔红伟，廉自生，等.不同软启动时间下重型刮板输送机动态特性J.科学技术与工程，2020，20（8）：38.9王腾，夏护国.重型刮板输送机驱动方式比较分析J.煤炭科学技术，2013，41（9）：154-158；162.（编辑：王慧芳）图 5双电机驱动系统功率平衡控制效果Research on Control Characteristics of Single Motor and Double Motor CorrespondingScraper ConveyorWang Lingling（Jinneng Holding Coal Industry Group Yongdingzhuang Coal Industry Company,Datong Shanxi 037003）Abstract:In order to further improve the starting characteristics of th