液压支架无横肋板连杆结构分析研究_王伟峰.pdf

0引言随着高产高效综采工作面的不断升级，对液压支架的性能要求也越来越高，四连杆机构是目前液压支架中稳定性最好的结构形式，四连杆机构由掩护梁、前/后连杆及底座组成，其作用为使顶梁前端与煤壁变化尽可能小，更好支护顶板，并且承受顶板的水平力和侧向力，使立柱不受水平力和侧向力。因此，连杆是液压支架的主要受力件，需要承受很大的交变应力，既承受轴向力，又承受弯曲应力及扭转应力，其可靠性是液压支架应用的关键因素。1液压支架连杆结构形式前、后连杆的结构形式可以分整体式及分体式，根据架型又分为前双后双、前单后单、前单后双及前双后单4种。近年来，两柱掩护式液压支架基本采用前双后双分体式结构。传统的前、后连杆结构由底板、盖板及内部若干横肋板拼焊而成，需要组对焊接多次，加工工序复杂，效率低，不利于应用焊接机器人的大规模焊接。随着焊接智能化的应用，结构相对简单的连杆更易于实现自动化，因此一种内部无横肋板前、后连杆结构被提出，有无横肋板连杆对比图如图1所示。本文通过平面力学分析与有限元分析2种方式，对前、后连杆内部有无横肋板结构进行分析，为无横肋板前、后连杆结构应用提供依据。（a）有横肋板（b）无横肋板图1有无横肋板连杆对比图1.盖板2.横肋板3.底板2平面力学分析以两柱掩护式液压支架为研究对象，前、后连杆主要承受轴向力、弯曲应力及扭转应力等交变应力，3种受力工况分别计算如下。（1）轴向应力前、后连杆承受轴向应力力学模型如图2所示。图2轴向应力力学模型F.轴向力L.1/2连杆长H.箱体外高H1.箱体内高D.箱体外宽D1.箱体内宽B1.立板厚B2.横板厚轴向应力煤矿机械Coal Mine MachineryVol.44 No.5May.2023第44卷第5期2023年5月doi:10.13436/j.mkjx.202305026液压支架无横肋板连杆结构分析研究王伟峰（平煤神马机械装备集团 河南矿机有限公司，河南 平顶山467000）摘要：以两柱掩护式液压支架为研究对象，基于力学模型的平面受力分析及SolidWorksSimulation有限元分析，以顶梁偏载工况为加载边界条件，分别计算前、后连杆有无横肋板结构的受力情况。结果表明，液压支架连杆内部有无横肋板应力变化不大，为液压支架无横肋板前、后连杆结构设计提供理论支撑。关键词：液压支架；连杆；无横肋板；有限元分析中图分类号：TD355.4文献标志码：A文章编号：1003 0794（2023）05 0083 03Analysis and Research on Connecting Rod Structure of HydraulicSupport without Transverse Rib PlateWang Weifeng（Henan Kuangji Co.,Ltd.,Pingmei Shenma Mechanical Equipment Group,Pingdingshan 467000,China）Abstract:The two column shield type hydraulic support was taken as the research object,the planestress analysis based on the mechanical model and the SolidWorks Simulation finite element analysiswere used to calculate the stress of the front and rear connecting rod with or without transverse ribplate structure with the top beam eccentric load condition as the loading boundary condition.Theresults show that the stress in the connecting rod of the hydraulic support with or without transverse ribplate has little change,which provides theoretical support for the structural design of the front and rearconnecting rods of the hydraulic support without transverse rib plate.Key words:hydraulic support；connecting rod；without transverse rib plate；finite element analysis12313A-ALAB1FH1DD1AHB2F83第44卷第5期Vol.44 No.5液压支架无横肋板连杆结构分析研究王伟峰=F/S（1）A-A截面面积S=DH-D1H1（2）由式（1）、式（2）可知，有横肋板不能增大A-A断面面积，因此对A-A断面拉（压）应力值无影响。（2）弯曲应力两端铰接的连杆二力杆结构，假设连杆一端固定，一端承受弯矩，弯曲应力力学模型如图3所示。图3弯曲应力力学模型弯曲应力w=M/W（3）截面弯矩M=FL（4）断面抗弯截面系数W=I/y（5）形心轴截面惯性矩I=112（HD3-H1D13）（6）截面形心位置y=H/2（7）由式（3）式（7）可知，由于W是截面对其形心轴惯性矩与截面形心位置的比值，故有横肋板并不能改变断面抗弯截面系数，因此有横肋板对断面弯曲应力值无影响。（3）扭转剪应力前后连杆承受弯扭转剪应力力学模型如图4所示。图4扭转剪应力力学模型扭转最大剪应力max=T/Wp（8）断面抗扭截面系数Wp=a（DH2-D1H12）（9）式中T截面承受扭矩；a抗扭系数，一般取固定值。由式（8）、式（9）可知，有横肋板并不能改变断面抗扭截面系数，因此有横肋板对断面扭转剪应力值无影响。3有限元分析3.1有限元模型建立本文以ZY6800/14/30D液压支架为分析对象，基于SolidWorks软件建立有限元分析模型。由于液压支架结构复杂，为提高运算速度及精确度，需要对有限元分析模型适当简化，简化的原则为不能影响主体受力构件。简化原则：非主体结构件可以不建模，如护帮板、侧护板、推杆等零部件；所有受力构件联接重组为1个零件，这样可以提高建模效率及分析速度；简化或去掉不承载的细小特征如倒角、圆角、工艺孔等；忽略焊缝影响；顶梁及底座柱窝以上结构可分割去掉，减少分析模型单元格数量，进一步简化模型。根据上述原则建立了掩护式液压支架简化后三维模型，液压支架主体结构件材料为Q550高强板，其密度7 850 kg/m3、泊松比0.27、弹性模量210 GPa，使用Simulation模块提供智能的四面体网格划分功能，对液压支架进行网格划分，生成有限元分析模型。建立的分析模型如图5所示。（a）模型图（b）网格图图5分析模型3.2边界条件及加载工况（1）边界条件按照GB 25974.1-2010规定，选取前、后连杆受力最差的顶梁偏心加载工况，顶梁偏心加载标准如图6所示，顶梁垫板固定约束，各结构件铰接孔采用销钉联接。图6顶梁偏心加载方式B.顶梁宽度b.垫块宽度（2）加载工况以ZY6800/14/30D液压支架为分析对象，支架额定工作阻力为6 800 kN，按照GB 25974.1-2010，顶梁偏心受载对柱窝施加1.2倍额定工作阻力，因此加载荷载为7 680 kN。3.3计算结果分析计算后，隐藏其他结构件，只显示需要研究的前、后连杆应力云图，结果如图7图10所示。A-ALAB1FH1DD1AHB2固定A-ALAB1H1DD1AHB2T0.1BbB84第44卷第5期Vol.44 No.5液压支架无横肋板连杆结构分析研究王伟峰图7有横肋板前连杆应力云图图8无横肋板前连杆应力云图图9有横肋板后连杆应力云图图10无横肋板后连杆应力云图根据有限元分析结果，不同结构形式的前、后连杆受力对比如表1所示。表1不同形式连杆受力结果对比由以上计算结果得出：在铰接孔横肋附近，无横肋板前连杆比有横肋板前连杆应力增加6%左右，其他位置增幅均不超过3%；在铰接孔横肋附近，无横肋板后连杆比有横肋板后连杆应力增加6%左右，其他位置增幅均不超过3%；在铰接孔附近，去掉横肋板后，可适当增加贴板厚度，提高连杆强度及刚度。4结语（1）采用平面力学及有限元分析相结合的方式，分别仿真计算有无横肋连杆结构的受力情况，计算得出无横肋连杆受力增幅不大；（2）采用无横肋板连杆，可一次拼装焊接成形，大大提高加工效率及焊接智能化程度。综上所述，在无特殊要求情况下，推荐采用无横肋前、后连杆结构。本文也为液压支架无横肋连杆设计及应用提供了理论支撑。参考文献：1王国法.高端液压支架及先进制造技术M.北京:煤炭工业出版社,2010.2郑晓雯,陈雪婷,陈超,等.两柱掩护式液压支架整架有限元分析J.煤矿机械,2015,36(11):147-149.3王新亚,许日成,曹伟，等.煤矿沿空留巷模板支架的有限元分析J.矿山机械,2013,41(12):12-17.4李中文,郝春芬.ZFY4800/16/30型两柱掩护式低位放顶煤液压支架的设计及有限元分析J.煤矿机械,2016,37(12):9-11.5刘军锋,余龙,张兴辉.基于有限元分析的顶梁柱窝研究及应用J.煤矿机械,2020,41(6):158-160.作者简介：王伟峰（1988-），河南平顶山人，工程师，学士，从事液压支架设计与管理工作.责任编辑：张欣收稿日期：20220923结构形式有横肋前连杆无横肋前连杆增减幅度有横肋后连杆无横肋后连杆增减幅度铰孔应力/MPa2052102.43%2342392.13%铰孔横肋应力/MPa2282415.71%2492635.62%中间横肋应力/MPa2983052.34%2582652.71%离铰孔300 mm处应力/MPa3053101.64%2632723.42%von Mises/MPa屈服力：470.000屈服力：470.000345.00316.250287.500258.750230.000201.250172.500143.750115.00086.25057.50028.7500.000屈服力：470.000345.00316.250287.500258.750230.000201.250172.500143.750115.00086.25057.50028.7500.000屈服力：470.000345.00316.250287.500258.750230.000201.250172.500143.750115.00086.25057.50028.7500.000屈服力：470.000345.00316.250287.500258.750230.000201.250172.500143.750115.00086.25057.50028.7500.000345.00316.250287.500258.750230.000201.250172.500143.750115.00086.25057.50028.7500.000屈服力：470.000345.00316.250287.500258.750230.000201.250172.500143.750115.00086.25057.50028.7500.000屈服力：470.000345.00316.250287.500258.750230.000201.250172.500143.750115.00086.25057.50028.7500.000屈服力：470.000345.00316.250287.500258.750230.000201.250172.500143.750115.00086.25057.50028.7500.000von Mises/MPavon Mises/MPavon Mises