掩护式液压支架顶梁的有限元分析
ZY2800型掩护式液压支架关键部件结构优化与有限元分析.doc
ZY2800型掩护式液压支架关键部件结构优化与有限元分析
液压支架是用来支护并管理矿井顶板的一种液压动力器械。
其支撑力来源于液体产生的压力,能够自动移架,是综采中必不可少的配套装置。
但是,液压支架存在耗材多,体积笨重,设计周期长,强度难以保证等缺点,这些都制约着液压支架的发展。
因此,液压支架的优化和强度的分析对支架的设计发展有着重要的意义。
本课题以ZY2800/14/28Z型掩护式液压支架为研究对象,对其关键部件进行优化设计及有限元分析。
本文根据优化设计理论,对液压支架的关键部件——顶梁进行结构优化,并且应用Visual Studio软件求解支架四连杆机构尺寸的最优值。
然后,通过SolidWorks软件建立支架的实体模型,同时对其进行运动仿真分析。
最后,利用分析软件ANSYS Workbench,对支架整体进行静强度分析,以此检验设计优劣并针对出现的问题对支架进行改进。
通过增加筋板厚度和增加筋板个数两种方案,对顶梁结构进行改进,降低最大应力值,选取安全系数比较大的方案,在满足强度的条件下,使得顶梁重量最终减小了约21%。
在底座薄弱位置增添辅助钢板,起到抵抗变形,减小应力的作用。
这种优化——分析——改进的研发流程提高了产品质量,缩短了设计周期,节约了设计成本。
ZF35001729液压支架顶梁的有限元应力分析.doc
ZF3500/17/29液压支架顶梁的有限元应力分析新型高效低位放顶煤液压支架是近十几年发展起来的一种架型,它是实现厚煤层开采高产高效的三大设备之一。
随着液压支架在我国矿区的广泛应用,对液压支架的可靠性和寿命提出了更高的要求。
而液压支架顶梁的损坏问题,直接影响到液压支架的可靠性和寿命。
因此,本文以数值模拟技术为手段,分别就液压支架顶梁各种工况下的受力情况进行有限元分析和研究,从而为设计高质量液压支架提供一定的理论依据。
针对目前液压支架的研究现状,本文以ZF3500/17/29型支撑掩护式低位放顶煤液压支架为例介绍了液压支架的工作原理,采用功能强大的有限元分析软件ANSYS建立了顶梁的计算模型,对其进行了结构静力学分析,得出其应力分布图。
并将分析结果与现场分析的结果相比较,验证了有限元分析的正确性。
虽然本文是针对液压支架的顶梁进行研究的,但其中的分析方法却可以推广到液压支架其它部件的研究中,故本文的研究方法及其结论具有一定的工程应用价值。
放顶煤液压支架的应力测试及有限元分析掩护式液压支架顶梁及掩护梁受力分析与仿真毕业论文 精品
关 键 词：放顶煤液压支架；应力测试；应力分析；有限元分析 研究类型：应用研究
Subject
: The Stress Testing And Finite Element Analysis to the Caving Hydraulic Support
Specialty : Mechanical Electronic Engineering : Qin Runze (Signature) (Signature)
学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书
本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文 工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注 明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。
Instructor : Cao Chunling
ABSTRACT
Hydraulic support ,the key equipment for fully mechanized coal mining surface ,is playing an important role in supporting the roof ,maintaining the working space and transporting working surface and mining machine .As the key factor of coal mining, the research of hydraulic support has a very important significance for the development of coal mining mechanization. Through the finite element analysis and stress test in the testing ground for the type of ZF10500/20/36 hydraulic support,analyze the static strength of hydraulic support .Under the standard of general specification of hydraulic support, test the stress of the hydraulic support in these easily damaged working conditions which include base torsion,top beam with offset load and top beam torsion and obtain a lot of practical data. The paper use Pro/E to build the three dimensional model of caving hydraulic support, and use ABAQUS to analyze the static strength stress of the whole hydraulic support. Study on the building,simplification,assembling, choosing unit type, meshing , treating boundary conditions and analysis of external load in-depth of three dimensional model Through the finite element software ,analyze the static strength stress for the type of ZF10500/20/36 hydraulic support,obtain the stress distributions and the dangerous parts under following three conditions : base torsion,top beam with offset load and top beam torsion, and obtain the stress of dangerous parts on the hydraulic support. Then compare the data with the actual measured data in the same condition,provide a theoretical reference for the design and analysis of the hydraulic support, and achieve the aims of shorten the design cycle and reduce costs.
ZY8000／18／39型液压支架的整架有限元分析
０ 引 言
液 压 支 架 作 为 综 采煤 工 作 面 的 重要 支 护 设 备 ， 其 结构 强 度 和可靠 性 严 重影 响着 采 煤 进 度 与 安 全 。 在 实 际 的工作 中 ，由于井 下地 质条 件 、煤层 厚度 及矿 压 显现 的复杂 多 变 ，使 支 架 的 受 力情 况具 有 很 大 的 随机性 ＿ｌ Ｊ，给 支架 的 可靠 性 设 计 带 来 了 巨 大 的盲 目 性 。针对 液 压支架 结 构设 计 及 受 力 分 析 ，国 内外 学 者 进 行 了 广 泛研 究 。如 文 献 ［２］，应 用 内加 载 方 式 对 液 压 支架 进行 受 力 分 析 ，得 出大 采 高 液 压 支 架 的 受力 特点 和变形 规 律 ，为支 架 的结 构 设 计 和 材 料 配 置提 供理 论 依 据 ；文 献 ［３］通 过 对 液 压 支 架 四 连 杆 机构 的运 动 特性 分 析 ，建 立 了 四连 杆 机 构 的优 化 设
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔａｋｅ ｄｏｕｂｌｅ ｃｏｌｕｍｎ ｓｈｉｅｌｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏｒ ｔ ＺＹ８０００／１ ８／３９ ａｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ，ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ
ｓｉｍｐｌｉｆ ｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ＳｏｌｉｄＷ ｏｒｋｓ ３ Ｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｍｏｄｅｌ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｍａｃｈｉｎｅ． Ｕｓｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｔｏ ｉｍｐｏｒｔ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ Ｗ ｏｒｋｂｅｎｃｈ，ｃｏｎｔａｃｔ ｐｉｎ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｗａｓ ｔｒｅａｔｅｄ ｂｙ ｃｏｎｔａｃｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｌｏａｄ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏｒｔ ｉｎ ｔｈｅ ｔｗｏ ａｄｖｅｒｓｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｓｕｃｈ ａｓ ｔｈｅ ｐａｒｔｉａｌ ｌｏａｄ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐ ｂｅａｍ ，ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ ｉｎ ｆｒｏｎｔ ａｎｄ ｂａｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｓｅ，ｔｈｅ ｔｏｒｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐ ｂｅａｍ ，ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｌｏａｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ． Ｉｎ ｔｈｉｓ ｗａｙ，ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｕｌｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｕｐｐｏ￣ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ａ ｒｅｌｉａｂｌｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃａｆｆｏｌｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍ ａｔｅｒｉａｌ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｕｐｐｏ￣；ｆ ｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｅｃｃｅｎｔｒ ｉｃ ｌｏａｄ；ｔｏｒｓｉｏｎ
ZY62002044型液压支架有限元分析.doc
ZY6200/20/44型液压支架有限元分析
本文介绍了液压支架的发展历程和现状，并对液压支架分析方法进行了深入的研究，在总结国内外液压支架发展取得成就的基础上，指出了支架发展领域面临的挑战。
文章对液压支架进行三维实体建模，并用有限元软件来进行分析，是支架一种新的研发方法。
以ZY6200/20/44型两柱掩护式大采高液压支架为例，利用Solid Works三维机械设计软件，有限元分析软件ANSYS，液压支架分析迈实等几个软件，分析了液压支架，在对支架的绘制虚拟三维模型的过程、模型的简化、各结构件之间的关系、支架各部分接触表面的处理、网格划分进行了较为深入的研究基础上，成功设立了一个产品虚拟立体模型，并可实现运动动作分析。
另外，对支架整架受力计算，通过使用有限元分析方法，对危险的结构边界条件，得出了在底座、顶梁等不同的大部件，分别承受偏、扭等载荷情况下，以及各不同的边界条件下，液压支架的受载分布状况以及危险区域；最后，根据液压支架试验国家标准及行业标准的要求，对研究结果进行了试验验证。
利用三维模型的虚拟原型的建立，更大程度的在传统的设计原型图数据基础上替代了试制制造过程中，大大缩短了液压支架的设计周期，降低了维修工作量，提高了准确度。
液压支架的设计与有限元分析结果，在研究的基础上进行分析，对提升研发水平得出了理论依据，对液压支架制造质量的提高具有很强的指导作用。
掩护式及支撑掩护式液压支架特性及工作状况分析
掩护式及支撑掩护式液压支架特性及工作状况分析当前，综合机械化采煤技术在我国迅速推广，许多地方和矿属的机械厂都纷纷制造采煤机和液压支架，许多中小型矿井甚至地方煤矿都采用了综合机械化采煤技术。
液压支架是综合机械化采煤的主要设备之一，为帮助煤矿工程技术人员、管理人员和技术工人了解和更好地使用液压支架，本文对掩护式及支撑掩护式液压支架工作原理、特性曲线及支撑能力进行分析。
1、掩护式及支撑掩护式液压支架类型2、掩护式及支撑掩护式液压支架工作原理掩护式及支撑掩护式液压支架有单铰式与双铰式两种主要类型。
单铰掩护式支架随采高的变化，顶梁尖端（铰点）围绕支架的后铰点作圆弧运动，因此支架的空顶距随采高的变化而变化，使支架前端无支护空间增大，不利于顶板控制。
（见图2-1a）采用带四连杆的掩护式及支撑掩护式支架（双铰式），随采高的变化顶梁尖端的运动曲线为双纽线，根据双纽线的特点，在设计中可以使顶梁尖端在采高范围内呈近似垂直层面的直线运动，以保证在支架有效采高范围内，使顶梁尖端距煤壁的距离不变。
此外，带四连杆的掩护式及支撑掩护式支架（双铰式）具有承受水平力的能力。
（见图2-1b）液压支架的液压系统由立柱、推移千斤顶、操纵阀、控制阀（安全阀、液控单向阀）、软管等组成。
（见图2－2）通过操纵阀和控制阀，液压支架可完成以下动作(立即支护式)：a.降柱、拉架：采煤机通过该支架、顶板暴露后，立即降柱、拉架；b.升柱：支架被拉到新位置后，升柱，使支架撑紧顶板；c.推溜：支架撑紧顶板后，利用推移千斤顶推溜。
初撑力与工作阻力（屈服载荷）：升柱后，高压液体进入液压支架各立柱的活塞腔，立柱逐渐升起直至顶梁与顶板紧密接触为止；与此同时，在立柱活塞腔内的高压液体的压力迅速增大到液压泵的工作压力。
当高压液体充满活塞腔时，液控单向阀关闭，将高压液体锁在活塞腔内。
此时，工作在泵的工作压力下的高压液体压力称初撑压力，支架（所有立柱）对顶板的支撑力称初撑力。
ZZ62002042支架整机有限元分析
- 131 -工 程 技 术在综采工作面回采过程中，液压支架为采煤机、刮板输送机以及人员作业提供一个安全的作业空间，因此，液压支架在综采工作面发挥着极为重要的作用。
受直接顶与老顶来压的影响，支架可能长期处于高压下工作。
同时，随着工作面回采，需要人员不断地井下操作支架进行推溜、移架工作，人员与设备的安全问题显得异常重要，液压支架的结构件必须具备足够的强度，因此，液压支架的安全性就是液压支架优化设计中的重中之重。
该文引入ZZ6200/20/42支撑掩护式液压支架，在构建有限元模型的基础上，围绕其展开分析。
基于井下作业的恶劣条件，先以有限元分析软件对ZZ6200/20/42支撑掩护式液压支架展开静力学分析，然后立足于分析结果进行现场试验。
最后，根据结构件上的高应力分布区域给出了板材选用的建议以及结构优化设计时的注意事项。
１ ＺＺ６２００／２０／４２支撑掩护式液压支架概况ZZ6200/20/42支撑掩护式液压支架是该公司为蔚州单侯矿所生产的四柱支撑掩护式支架，由于支架强度理论计算时只能得到支架结构件某些特殊截面处的应力数据，无法获取支架整机任意处的应力数据，因此，该文拟采用较为先进的有限元分析手段来恢复整个支架的应力场，为支架的强度校核提供有力的参考。
２ ＺＺ６２００／２０／４２支撑掩护式液压支架有限元模型的构建在构建ZZ6200/20/42支撑掩护式液压支架有限元模型时，对支架整体受力影响微乎其微的部件和结构需进行一定程度的简化，将载荷直接加载到上、下柱窝处[1]。
当对ZZ6200/20/42支撑掩护式液压支架顶梁、底座两端进行集中加载时，因载荷关于支架的对称面对称，同时，支架结构、约束、材料都关于支架的对称面对称，因此可以采用对称约束，即只分析支架结构的一半来替代整个支架，这样可以大大减少计算量、提高计算效率。
此外，支架在进行加载前须在顶梁、底座的两端按最新标准GB25974.1-2010煤矿用液压支架 第一部分：通用技术条件的规定中的位置放置垫块，同时，为防止加载时底座的前后移动，还须在底座的前后端放置垫块卡住底座，以便加载时底座能够正常承载，垫块放置完毕后通过4个立柱进行内加载。
ZY4000型液压支架设计及有限元分析
ZY4000型液压支架设计及有限元分析综合机械化采煤是煤炭工业加速发展,大幅提高煤碳产能,实现煤炭工业现代化发展战略的关键措施,不但生产效率高、产量大、生产成本低廉,而且能减轻工作人员的劳动强度,是煤炭工业技术的发展方向。
液压支架是综合机械化采煤设备中最重要的设备之一,它在综合机械化采煤中起到支护顶板、推移采煤机和刮板输送机的作用,其安全性与可靠性直接影响综采工作面的安全。
本文根据赵家梁煤矿5-2号煤层的顶板条件,进行ZY4000型掩护式液压支架的开发设计以及有限元仿真分析与优化技术研究,为提高液压支架综合性能与结构改进优化提供参考。
总结了液压支架的工作原理、类型及结构特点,分析了集中外载荷作用下的液压支架整架受力状况。
采用现代液压支架设计技术,确定了液压支架架型选择、四连杆机构设计方法以及液压支架部件的结构类型,完成了 ZY4000型掩护式液压支架的开发设计。
利用PRO/E三维设计软件,建立了液压支架顶梁、底座及掩护梁等关键部件的三维实体模型,结合支架在实际工况下的工作高度,完成了液压支架三维实体装配模型,运用三维设计软件对其进行了干涉检查,避免了液压支架各部件在工作时不会出现干涉问题。
结合有限元分析理论,将液压支架三维实体模型导入ANSYS有限元分析软件,设定了边界条件、材料相关参数及外载荷大小,然后在四种不同工况条件下对支架整体及部件进行了有限元静力分析,获得了 ZY4000型液压支架整架及其关键部件应力和位移的变化规律,对支架中应力集中和位移较大的部位进行了结构优化改进,分析结果表明顶梁、掩护梁和底座的强度、刚度很好地满足了设计的要求,同时通过结构改进优化减轻了液压支架整架重量,为企业ZY4000型掩护式液压支架整体优化设计提供了依据。
本论文通过对ZY4000型掩护式液压支架整体设计及其ANSYS有限元分析优化方法进行了较为系统的研究,为液压支架的设计与分析优化提供了参考,代替了以往只能通过实际工程试验进行产品性能验证的局限性,为液压支架的结构改进与优化,提高液压支架的性能与质量具有一定的指导作用。
液压支架的三维建模及整架有限元分析
液压支架的三维建模及整架有限元分析摘要:利用Pro/E软件建立ZY6000/25/50型两柱掩护式液压支架的三维模型,并把模型导入有限元软件ABAQUS中进行分析,得出在顶梁偏载、底座扭转工况下支架的应力和位移分布情况,研究的结果可以为液压支架的设计和结构优化提供参考依据。
关键词:液压支架三维建模有限元分析强度分析液压支架是综合机械化回采工作面的支护设备,起支撑和保护的作用。
液压支架的寿命和质量,与它在承载情况下的应力应变有很大的关系。
在传统的液压支架设计过程中,一般是制造出一台样机,在反复的试验中得到液压支架各部位的应力应变的分布情况,但是这种结果误差比较大。
本文采用Pro/E软件建立液压支架的三维模型,将模型导入到ABAQUS软件进行有限元分析,能够更好地模拟各种工况,得到支架在各种工况下的应力应变情况,大大缩短了支架的设计周期,节省了液压支架的设计成本。
1 液压支架的三维建模1.1 液压支架的简化在建模过程中,考虑到有限元分析过程中的网格划分、相互作用的设定和载荷的加载,要对液压支架进行简化。
因为立柱和千斤顶与支架的接触比较复杂,在建模过程中进行简化处理,用载荷代替。
为节省建模时间,对顶梁、掩护梁和底座上的小孔和对支架受力影响不大的小块或小环进行简化处理。
支架模型中不能出现小边或小缝,否则会影响后续有限元分析中的网格划分,影响到支架应力应变的分析结果,所以对这些小边或小缝也要进行简化处理。
1.2 液压支架各部构件的建模液压支架包括顶梁、掩护梁、前后连杆、底座这几部分,分别对其进行建模。
在建模过程中,前后连杆和底座是关于中心对称的,因此在拉伸和旋转过程中,充分利用软件中的镜像模块,可以大大缩短建模时间,提高支架的建模效率。
支架各部分建模如图2所示。
1.3 液压支架的装配在Pro/E中对完成建模的支架各构件进行装配。
装配过程中,构件与构件之间的间隙尺寸为5mm,构件与构件之间的连接设置为铰接。
基于ABAQUS的液压支架主体结构有限元分析
基于ABAQUS的液压支架主体结构有限元分析摘要:应用有限元分析软件ABAQUS,模拟计算和分析了两柱掩护式液压支架在顶梁扭转工况下主体结构的应力分布情况。
分析结果为液压支架的设计和结构优化提供了理论依据和参考。
关键词:液压支架有限元分析ABAQUS1 前言液压支架是煤矿综采工作面三大配套设备之一。
传统液压支架的设计,往往是通过制作物理样机并进行试验来得到液压支架的应力情况,这种方法虽然可行,但将耗费大量的人力物力与时间,效率较低。
随着市场需求的日益扩大,要求液压支架的规格型式日趋多样,研发周期要求不断缩短,结构、性能等要求也不断提高,因此,采用先进的技术方法和手段进行液压支架的设计是一种必然选择。
本文运用三维建模软件Pro/E创建液压支架模型,解决了有限元分析软件ABAQUS在建模上的不足,进而模拟计算和分析了顶梁扭转工况下液压支架主体结构的应力分布情况,并对结果进行了分析与评价。
2 液压支架的三维建模应用三维建模软件Pro/E创建液压支架的三维模型,但在将三维模型导入ABAQUS之前需要在Pro/E中完成两步准备工作。
第一步,为了便于模型的导入与网格的划分,需要对液压支架三维模型进行必要的简化处理,具体的操作如下:(1)将液压支架顶梁、掩护梁及底座中对应力分析影响不大的的挡块、耳板、管环等构件去除掉;(2)由于在有限元分析过程中立柱与平衡千斤顶是以载荷的形式施加在液压支架上的,因而为了节省计算时间,用载荷代替立柱和平衡千斤顶。
第二步,确定液压支架的高度。
根据MT312-2000《液压支架通用技术条件》,在顶梁扭转工况下的支架实验高度为支架最大高度减去支架行程的三分之一。
因而将此液压支架分析高度定为4200mm。
完成以上两步操作后,将Pro/E下液压支架三维模型的装配文件保存副本为“x_t”格式后导入ABAQUS中,如图1所示。
3 液压支架主体结构的有限元分析模型倒入成功后,对支架主体进行静力学分析。
ZF7200_18_35型液压支架有限元分析
水平和垂直轴方向的力平衡方程为 Q 1 + F 1 sin P 1 cos
1
+ F 2 sin
2
+ P 1 sin
1
- P 2 sin
2
=0 ( 2)
1
+ P 2 cos
2
+ F 1 cos
1
+ F 2 cos
2
- Q= 0 ( 3)
取顶梁为分离体对顶掩铰点 O 点取 力矩平衡 方程 P 1 r3 + P 2 r4 + QfH 1 - Qx = 0 柱倾角 和 ( 4) 由以上方程 , 可解得 Q, x, F 1, F 2 的值。其中立
1 2
, 向前为 + !值 , 向后为 - !值, O 1
点在 O 下方为 + !值 , 上方为 - !值。
实际上液压支架使用工况非常复杂, 不仅顶板 的压力大小和作用位置 , 而且支架的顶梁和顶板的 接触情况都随机变化, 顶梁上的载荷既非集中载荷 又非均布载荷, 分布规律因支架与顶板的接触情况
第 30 卷第 5 期
顶梁偏载最能反映支架四连杆的抗扭转情况本文按顶梁偏载和底座弯曲合成检验支架结构件应力值情支架高度立柱伸出实验压力工作阻力的实验方式内加载垫块位置如图液压支架三维模型建立液压支架是由多个大型复杂结构件组成由于ansys三维构件功能不强本文在pro立液压支架三维建模通过pro建立计算模型首先35型三维模型导入然后定义单元类型和材料属性
第 30 卷第 5 期 2009 年 5月
煤 矿 机 械 Coa lM ine M ach in ery
V o.l 30 N o . 5 M ay . 2009
液压支架顶梁柱窝有限元分析
维普资讯
２０年第 １ ０７ 期
唐
玫： 液压 支 架顶 梁柱 窝有 限元 分 析
２ １
案 ， 同类 型 的 国外 较 先 进机 型 的柱 窝 形 式 也 进 行 对
了计算分析 ， 提出相近 的结构方案 ， 通过计算 比较 ， 探 索较合 理 的设计 方案 ， 期望 为 柱 窝较 合 理 的 设计
ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｌｃ ｌｄ ｔｉ ｄ ａ ａｙ ｉ ｏ ｅ ｅ ａ ｅ ｔｓ ｉｌｓ ｈｓｐ ｐ ｒｅ ｐ ｏ ｅ ｈ ｒ ｃ ｅ ｓ ｎ ｆｔ ｅ ｈ ｏ ｇ ｈ ｏ ａ ｅａｌ ｎ ｌｓｓ ｆｓ ｖ ｒｌｎ ｓ ｈ ｅｄ ，ｔ ｉ ａ ｅ ｘ ｌｒ ｓｔ ｅｃａ ｋ ｒａ ｏ ｓｏ ｈ ｅ
维普资讯
第１ Ｏ卷 第 １期 ２０ ０ ７年 ３月
上 海 电 机 学 院 学 报
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｓ ＨＡＮＧＨＡＩＤＩ ＡＮＪ ＩＵＮＩ ＶＥＲＳ ＴＹ Ｉ
Ｖｏ ０Ｎｏ Ｌ１ ．１
Ｍ ａ ．２ ０ ｒ ０７
文章 编号
Ｆｉｉ ｅ ｅ ｔＡｎ ｙ ｉ ｏ ｓ ｆ８ｈｅｌ ｎｔ Ｅｌ ｍ ｎ ａｌｓｓ ｆ ｒＮｅ ｔｏ ｉ ｄ ｅ
ＴＡＮＧ Ｍ ｅ ｉ
（ ｓ ａ ｃ ｎ ｅ ，Ｓ ａ ｇ ａ ｉｎ ｈ ｕ ｉｏＭ ａ ｈｎ ｒ ．， ｄ ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ０ １ Ｒｅ ｅ ｒ ｈ Ｃｅ ｔｒ ｈ ｎ ｈ ｉ ａ ｓ ｅ Ｌ ｑａ ｃ ｉ ｅ ｙＣｏ Ｌｔ ，Ｓ ａ ｇ ａ ０ １ ，Ｃｈ ｎ ） Ｊ ２ ｉａ
基于UG的液压支架掩护梁有限元分析
Ｆ ：Ｑ－ －Ｐｃ ｏ ｓ ｌ ｆ －Ｆ ｌ ｃ ｏ ｓ ａ １
。
ＣＯＳｏ ｔ ｚ
置 的 圆角和孔 ； ③ 省 略侧 护 板 ； ④ 省 略 或简 化 焊 缝 、 螺 纹 以及 管线 等 细节部分 。 简 化 以后 ， 结 构原 受载荷 的 能力保持 不 变 ， 不会 对 整 架 主要 结构 件 的受力 状 况 产生 影 响 ， 且 可使 有 限元 分 析计 算 的 Ｃ Ｐ Ｕ 时 间适 中 ， 不耗 费过多 的时 间 。 本 文通 过 简化处 理 ， 将 掩护 梁分 为 １ ３ 个“ 组 件” 进 行装 配 ， 完 成后 的掩 护梁 实体模 型如 图 ４所示 。
基 于 ＵＧ 的液 压 支 架掩 护 梁 有 限元 分 析
李 翠 勤 ，刘 混举
（ 太 原 理 工 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 山西 太 原 ０ ３ ０ ０ ２ ４ ）
摘 要 ：进 行 了液 压 支 架掩 护 梁 的 受 力 分 析 ，利 用 ＵＧ 建 立 了掩 护 梁 的 三 维模 型及 有 限元 力 学模 型 。 通 过 ＵＧ 自带 的 高 级 仿 真 软件 ，分 析得 到 了掩 护 梁 的 应 力 和 位 移 分 布 。计 算 结 果 可 用 于 修 正 设 计 ， 以提 高掩 护 梁 结 构 的 可 靠 性 ， 为 液 压支 架 部 件 的 结 构 优 化 奠 定 了基 础 。 关 键 词 ：液 压 支 架 ；掩 护 梁 ； 有 限 元 分 析
１ ． ２ 液 压支 架简单 平面 受力分析
Ｅ ｔ ＋厂 Ｈ。
。
对 支架 结构 受力 进行 平 面力 学 分 析 ， 首 先 作 如 下 假定 ： ①将支 架 空间结构 简化 为平 面杆 系 ， 并将 箱形 结 构 看作 梁 的结构 件 ； ②将 顶梁 、 掩 护梁 及底 座 的载荷 看
液压支架的三维建模及整架有限元分析
Ｓｃｉ ｎｃｅ ｅ ａｎ Ｔｅｃ ｄ ｈｎｏｌ Ｉ ｏｇｙ ｎｎｏｖ ｉ Ｈｅｒ ｄ ａｔ ｏｎ ａｌ
！
Ｑ ：
工 业 技 术
液 压 支 架 的三 维 建 模 及 整 架 有 限 元分 析 ①
李 玲辉 郭 文骏 巫泽睿 郑晓雯 黄 良海 （ 中国矿业大 学 （ 京 ） 电与 信息 工程 学院 北 京 １ ０ ８ 北 机 ０ ３） ０
文 采 用 Ｐ ｏ Ｅ 件 建 立 液 压 支 架 的 三 维 模 ｒ／ 软 型 ， 模 型 导 入 到 ＡＢ 将 ＡＱＵｓ 软件 进 行 有 限 元分析 ， 能够 更 好地 模拟 各 种 工况 ， 到支 得
架进 行 静 力 学 分 析 。 型 导 入ＡＢＡ 模 ＱＵＳ 中 性 设 置 为 与 支 架 相 同 。 ２． 支 架 的分 析步 设定 和 相互 作用 设定 ３ 分 析 步 设 定 过 程 中 ， 了 保 证 分 析 结 为
的 分 布 情 况 ， 是 这种 结 果误 差 比较 大 。 但 本 导 入 到 ＡＢＡＱＵＳ软 件 当 中 ， 后对 支 架 整 然 后 如 图 ４所示 。
面附件产生严 重的 应力集 中， 这种 应 力 集
ZY4000型液压支架设计及有限元分析
ZY4000型液压支架设计及有限元分析综合机械化采煤是煤炭工业加速发展,大幅提高煤碳产能,实现煤炭工业现代化发展战略的关键措施,不但生产效率高、产量大、生产成本低廉,而且能减轻工作人员的劳动强度,是煤炭工业技术的发展方向。
液压支架是综合机械化采煤设备中最重要的设备之一,它在综合机械化采煤中起到支护顶板、推移采煤机和刮板输送机的作用,其安全性与可靠性直接影响综采工作面的安全。
本文根据赵家梁煤矿5-2号煤层的顶板条件,进行ZY4000型掩护式液压支架的开发设计以及有限元仿真分析与优化技术研究,为提高液压支架综合性能与结构改进优化提供参考。
总结了液压支架的工作原理、类型及结构特点,分析了集中外载荷作用下的液压支架整架受力状况。
采用现代液压支架设计技术,确定了液压支架架型选择、四连杆机构设计方法以及液压支架部件的结构类型,完成了 ZY4000型掩护式液压支架的开发设计。
利用PRO/E三维设计软件,建立了液压支架顶梁、底座及掩护梁等关键部件的三维实体模型,结合支架在实际工况下的工作高度,完成了液压支架三维实体装配模型,运用三维设计软件对其进行了干涉检查,避免了液压支架各部件在工作时不会出现干涉问题。
结合有限元分析理论,将液压支架三维实体模型导入ANSYS有限元分析软件,设定了边界条件、材料相关参数及外载荷大小,然后在四种不同工况条件下对支架整体及部件进行了有限元静力分析,获得了 ZY4000型液压支架整架及其关键部件应力和位移的变化规律,对支架中应力集中和位移较大的部位进行了结构优化改进,分析结果表明顶梁、掩护梁和底座的强度、刚度很好地满足了设计的要求,同时通过结构改进优化减轻了液压支架整架重量,为企业ZY4000型掩护式液压支架整体优化设计提供了依据。
本论文通过对ZY4000型掩护式液压支架整体设计及其ANSYS有限元分析优化方法进行了较为系统的研究,为液压支架的设计与分析优化提供了参考,代替了以往只能通过实际工程试验进行产品性能验证的局限性,为液压支架的结构改进与优化,提高液压支架的性能与质量具有一定的指导作用。
ZY17000_32_70型液压支架强度有限元分析
北京：清华大学出版社，2006：28-39. [4] 梁 超. 基于 SolidWorks 的液压支架四连杆机构变参数化仿真 分析 [J]. 矿山机械，2011，39(3)：18-20. □ (收稿日期：2011-08-01) (修订日期：2011-09-29)
旋转轴最大外径 65 70
11
第 39 卷 2011 年第 12 期
片帮和冒顶。配备双侧活动侧护板，将支架间的间隙 进行有效密封，防止漏矸。新设计的四连杆机构使梁 端距变化尽可能小，支架整体受力均匀，减少冲击， 立柱承受的侧向力较小。前连杆采用分体式结构，后 连杆采用整体式结构。整体式后连杆增强了支架的抗 扭性能与稳定性。支架配有高强度推移杆，保证支架 的推移。底座侧面设有调底座机构，当支架底座出现 微斜时，可通过调底座千斤顶把底座调直，以避免咬 架，确保顺利移架[2]。由于该支架采高大，为防止采 煤过程中出现飞石伤人，故采用可随支架伸缩的保护 网，工作人员在保护网内行走与维护。大缸径千斤顶 保证了支护强度与工作阻力，平衡千斤顶采用单平衡 结构，并设有保护装置。
采 掘
2.2 掩护梁背角
掩护梁上盖板与水平线的夹角称为掩护梁背角。 煤矸石与钢存在一个临界滑移角，在计算中一般取 18°。掩护梁背角越小，煤矸石越不易滑落，掩护梁 上的载荷就越大，从而导致支架对顶板的支护能力 下降，严重时会造成平衡千斤顶或联接耳座损坏。 因此，设计中应尽量增大掩护梁背角，以降低掩护 梁载荷。掩护梁最大背角应控制在 55° 以上，最小采 高时掩护梁背角应不小于 10°。该支架掩护梁最大采 高时背角为 58.4°，最小采高 (4.6 m) 时掩护梁背角为 11°。采高为 6.8 m 时掩护梁背角为 19.2°。
本 栏 目 编 李 文 民 辑
液压支架顶架的有限元分析
障模 式 。 并 对 此 方 法进 行 了仿 真 验 证 ， 仿 真结 果 表 明 了 此方 法 的 可 行 的数 据 驱 动 故 障诊 断 法 主要 有 主 元 分析 法 和 偏 最 小 二乘
法 以及 独立 主 元分析 法 等。 主 元分析 法 （ Ｐ Ｃ Ａ ） 是根 据 原 始
故 障诊 断 电力 变 压 器 白化 权 函数
关键词 ： 灰 色聚 类
一
的 异常状 态就 可 以避免 此类 事件 的 发生 ， 也 可 以减 少维修 解决 许 多利 用普通 多 元 回归法所 不 能解决 的问题 。 １灰 色 系统 理论 费用 提 高经 济效 益 。 因此 ， 对设 备运 行状 态 实 时监控 技术 灰 色 系统 理 论 （ Ｇｒ ｅ ｙ Ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ） ， 又称灰色系统 ， 是 指 既 的研 究 引起 了工程 和学 术领 域 的广泛 关注 。 目前来 说故 障 诊断 方法 可 以分 为三 类 ： 基 于 数 学模 型 有 已知 信息 又含 未知信 息 的 系统 ，是研 究 分析 、建 模 、 预 的故 障诊 断 法 ， 基 于 人 工智 能 的故 障诊 断 法 ， 基 于 数 据驱 测 、 决 策和控 制 的理论 。２ Ｏ世 纪 ８ ０年代 初 ， 该 理 论 由我 国 动 的故 障诊 断 法［ ． １ 、 【 ２ Ｉ 。（ 基于 数 学模 型 的方法 是 目前 最 受 邓 聚 龙 教授 提 出 ，他 认 为系 统 内部 特 性 确知 的 为 白色 系 关 注 的研 究方 向也是最 为有效 的 方法。虽然其 应 用范 围 比 统 ， 内部特 性 未知 的 为黑 色 系统 ， 内部 特性 部 分确 知 、 部 分 较广泛 ， 但 是 具体 到 电力 设备 的故 障检 修 中 ， 其存 在 很 大 未知 的 为灰 色系 统 ，灰 色系统 指相 对于 一定 的认 识层 次 ， 部 分 未知 ， 即 信 息不 完全 。 的弊端 ， 因 为 电力 系统 的大型 化及 非线 性 等 因素 使得 技术 关于 系统 内部 的信 息 部 分 已知、 关于 系统 结 构 人 员很 难 得到 系统 精确 数 学模 型 ， 故 障技 术人 员 很难 对大 系统 内部 的信 息 是 指关于 系统 因素 的信 息 ， 型 设备 进 行精 密 的数 字 掌握 ， 因此， 限制 了此 方法 的应 用 。 的信 息和 关于 系统作 用原 理 的信 息。目前该 理 论 已经广 泛 经济 、 医疗 、 生态、 水利、 气象、 地质、 军事、 文 ② 人 工 智 能 法检 修 时 主要 就 是利 用计 算 机 技 术 实 现 对 电 应 用于 农 业 、 力 设 备 的检修 ， 其 工作 原理 就 是利 用计 算机模 仿人 类的智 化 、 交通 、 管理 、 工业 控制 等 几十 个领 域 。下 面 介绍 一些 在 能活 动 ， 使 计 算机具 有各种 智 能性 的 能力。其主 要包括 ： 专 工程 上 的一 些应 用 ， 简述 灰 色系统 理 论 的现状研 究［ ３ １ 。 灰 色 它根 据灰 色关联 矩 阵 家 系统 ， 是利 用 计 算机 模 拟 专 家 的决 策 过程 ， 进 而 解 决 哪 聚 类是灰 色 系统 理 论 中的 重要 内容 ， 或灰 数 的 白化权 函数 将 一 些观 测 指标 或观 测 对象 划 分 成 些没 有 办 法 建 立数 学 模 型而 必须 要依 靠 专 家 智 慧解 决 实 际 问题 。知识 库 系统 ， 就是将 人 类 的知 识 放到 网络 中 ， 供人 若 干个 可定 义类 别 的方法 。 一个 聚类 可 以看 成是属 于 同一 类共 享 ， 进而解 决 实际 问题 。 决 策支持 系统 ， 就是 对那 些 没 类 的观 测 对象 的集 合。 在 实际 问题 中 ， 往往 是每 个观 测 对 难 以进行 准确 的分 类。 有 把 握进 行 决 策 的可 以 利 用计 算 机 系统 进 行 辅 助 决 策 帮 象具 有 许 多特 征 指标 ，
基于有限元计算方法对液压支架掩护梁优化设计研究
0引言在当前，对煤炭开采的标准和细节要求不断提高，对于井下的安全性能、生产效率和经济收益要求也在不断提高，在这样的趋势下，支护问题成为了一个越来越受到关注的问题，也成为了开采工作的一个核心性问题，在这个过程中，液压支架掩护梁毫无疑问扮演者重要的角色。
支架支护是否安全、可靠，也与掩护梁有着密不可分的联系，ZY6400型液压支架结构性能好坏对于支护可靠性有着极大的影响，又特别是掩护梁常因载荷遭受损伤，因此如何对煤矿井下ZY6400型液压支架掩护梁的结构进行优化，提高其工作稳定和可靠性，成为煤矿企业迫切需要解决的核心关键问题[1]。
论文利用有限元分析方法对ZY6400型液压支架掩护梁进行优化研究，以期优化后的掩护梁满足矿井需求，确保矿井安全开采。
1有限元计算方法有限元计算时，发现变量和约束过多是掩护梁的典型特征，掩护梁在工作时不是孤立的，它和连杆、千斤顶以及顶梁都有着密切的联系，所以系统整体上看比较复杂，想要实现真正的优化依然是一件比较困难的事，而且采用原始的分析方法无法准确的分析和优化液压支架掩护[2,3]。
对于这种情况，采取什么样的计算方法就成为了重中之重，论文借鉴许多研究者采用的有限元数值分析方法来对液压支架掩护梁进行计算，通过众多例子和实践证明，有限元计算方法确实是一种有效的计算方式，具有良好的分析效果，具备控制变量条件、计算效率高以及最终结果真实靠谱等优点。
通过模型方式能够直观的查看、分析、判断，了解其应力的分布状况与规律，预测风险、规避风险，及时找出其中的相应隐患[4]，提前做好改进准备，这样可以让机构改进更具有科学性和说服力。
整个优化过程分为三个主要步骤：1）在SolidWorks中建起完善液压支架掩护梁三维模型，设置相应的变量和不变量，通过确定的分析，结合有关力学的原理对掩护梁应力分布规律进行模拟分析，最终得出应力分布结果[5]。
2）将SolidWorks中建立的三维模型导入到Simulation中，对其进行模块优化，设置相应的参数和边界条件，其中总载荷被设定为目标函数，并根据实际要求给出相应的变化范围，运用有关程序进行细致计算，逐层推进，最终找出问题的关键点[6]。
ZY4000／13／28型掩护式液压支架的有限元分析
ZY4000/13/28型掩护式液压支架的有限元分析[摘要]选取ZY4000/13/28型掩护式液压支架为研究对象，利用Pro/E进行三维建模，按照液压支架的试验标准，利用ANSYS对其进行有限元分析。
为ZY4000/13/28型掩护式液压支架的设计提供了理论依据。
【关键字】液压支架；有限元分析；Pro/E引言液压支架结构采用高强度钢板焊接而成，且为复杂的厚板箱形结构，焊接引起的残余应力和应力集中更为复杂。
采用ANSYS有限元分析软件，建立了液压支架结构件的有限元分析模型，模仿实验室试验的加载工况，对模型进行加载，从而获得结构件各处的应力和应变情况。
应用有限元分析法、动态与静态加载测试等研究分析手段来验证支架的可靠性，从而实现虚拟样机试验。
1、支架主要技术参数以ZY4000/13/28型掩护式液压支架为研究对象，对其进行有限元分析，该支架主要技术参数如表1所示。
2、三维建模利用液压支架参数化、可视化、动态优化设计软件对支架四连杆机构进行优化，可得出支架几何参数、受力分析表及各种分析曲线图。
然后运用Pro/E软件对液压支架进行三维建模，如图1所示。
3、有限元受力分析按照MT-312《液压支架通用技术条件》对主体结构件进行“顶梁偏载—底座扭转”及“顶梁扭转—底座弯曲”等11种复合加载工况下的模拟载荷试验，利用ANSYS有限元分析软件对其进行受力分析。
3.1简化模型在Pro/E中对模型进行简化处理。
删除用于避让焊缝的倒角、对受力影响可忽略的特征等，最终得到各板件之间面面接触、零间隙、无干涉的模型。
3.2加垫块和网格划分按照MT-312中测试垫块位置的规定，在支架Pro/E简化模型的相应位置加入垫块。
然后将模型导入ANSYS工作界面中，并采用四面体对模型进行网格划分，如图2所示。
3.3施加约束和加载此处以“顶梁偏载—底座扭转”为例，按照MT-312的加载要求，在立柱内部加载1.1倍工作载荷，底座底面和垫块表面添加位置约束，如图3所示。
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掩护式液压支架顶梁的有限元分析
摘要：选用ZY10000 /26 /55型两柱掩护式液压支架作为研究对象，进行合理简化后，使用Pro/Engineer软件进行三维建模，并使用Pro/MECHANICA 模块进行有限元仿真分析。
模型中采用接触法处理销孔连接关系，根据《液压支架通用技术条例》的规定，对液压支架在顶梁扭转和顶梁偏载和顶梁集中载荷等三种恶劣工况中的应力状态进行模拟和计算，并对结果进行分析，并对其优化设计提出建议。
关键词：液压支架；顶梁；有限元分析；扭转；偏载
液压支架如今在煤矿中应用十分广泛，是现今煤矿安全生产不可缺少的关键设备之一，普遍拥有很高质量载荷比。
而采煤工作面的矿山压力十分巨大，因此液压支架必须有可靠的工作强度。
受制于实际井下条件的随机性和复杂性，给液压支架实际的强度计算带来很大不变，特别是支架受到的偏载和弯矩使用传统方法计算有很大困难。
因此，使用计算机建模模拟分析液压支架的受力安全性就势在必行。
在液压支架各个工作部件中，顶梁部分由于直接接触到矿山压力面，受力最复杂，岩层断裂和落石等状况随时可能发生，容易使顶梁受到损坏。
本文选用ZY10000 /26 /55型两柱掩护式液压支架作为研究对象，对支架结构进行分析，进行合理简化后，使用Pro/Engineer软件进行三维建模，并使用Pro/MECHANICA模块着重对顶梁部分进行有限元仿真分析。
所得结果数据经对比分析后，确定危险工作面和受力部位，并对液压支架的改进与优化提出建议。
1.有限元模型的建立
掩护式液压支架主要由顶梁、底座、掩护梁、连杆机构、护帮板、侧护板等部件组成。
在做计算机模拟分析时，非主要承力部件如侧护板等可以省略，保留下的部件并做合理简化后使用Pro/Engineer建立液压支架模型。
（如图1所示）
图1
而我们本次需要重点研究的是支架顶梁，为了简化工作计算量。
我们将顶梁部分从支架中分离出来做单独模拟分析。
（图2）
图2
2.有限元模型网格的划分
对实体模型进行网格划分，从而生成有限元模型，如图
3所示。
设定网格单元边长小于模型最小边长的1/2，从而使模型每个受力
面上都有足够的节点，从划分后的结果看，共划分20566个网格，且划分均匀合理，满足使用要求。
图3
3.边界条件与受力分析
由于条件限制，模型中的销轴连接采用接触法处理，而分离出来的顶梁模型中，需对原销轴连接部位加以固定约束，意排除其他外来受力因素的干扰。
模型材料选取为常用的Q235型钢材，其杨氏模量210MPa （2.1*e9 Pa）泊松比0.3。
符合液压支架常用钢材的需求。
在添加外来受力条件的步骤中，我们需要引用《液压支架通用技术条件》中对加力条件所给出的规范。
即对液压支架在顶梁扭转和顶梁偏载和顶梁集中载荷等三种恶劣工况中分且做出加载规范。
在顶梁扭转工况中，顶梁两端加载面积分别为300mm×300mm和
1720mm×150mm，压强为28735kpa。
偏载工况中，受力面积1500mm×150mm，压强为44444kpa。
集中载荷工况中。
受力面积为1720mm*200mm，压强为29069kpa。
结果如图4，5，6所示。
图4
图5
图6
经综合分析得，在顶梁受到集中力载荷时，重点部位形变和应力集中现象最为明显，最大应力为11.315kn/cm。
而Q235的安全系数是1.5，所以许用应力为23.5/1.5=16 kn/cm。
模型设计在安全范围内，接近极限应力的最大值。
此外，模型支架在偏载和集中载荷工况下变形力度最大，最大位移达到29mm，支架在顶梁扭转位移值较小。
4.结论
4.1顶梁的工作应力分布表现为局部区域性存在，多为呈应力集中现象。
为了节约成本，无需全部都采用高强度钢材，而是在关键受力部位使用强度较高的材料或加厚处理。
4.2以往的平面力学计算方法只能简单计算模型平面载荷的工况，而无法模拟实际工况。
采用有限元法可以使得计算结果更加真实可信。
4.3通过对顶梁部分最大位移变化的分析，得出模型结构的变形规律，为顶梁部分的设计进行材料配置提供参考。
参考文献：
[1]液压支架通用技术条件[s].北京：煤炭工业出版社，2001
[2]王晓东1 加载方式对液压支架型式检验结果的影响[J].煤炭科学技术，2006
[3]王进军，贾新玲，范迅1放顶煤液压支架的整架强度有限元分析[J].煤矿机械，2005.。