王明明，武維承，勾靖國

（山西大同大學(xué)煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003）

ZZ13000/28/60型大采高液壓支架是平陽重工與同煤集團(tuán)針對大同礦區(qū)厚煤層“兩硬”條件(堅硬頂板、堅硬煤層)研制的適應(yīng)4～6 m厚煤層綜合機(jī)械化開采的支護(hù)設(shè)備。

ZZ13000/28/60支架的設(shè)計使用了先進(jìn)的三維計算機(jī)圖形技術(shù)來完成液壓支架的三維實(shí)體構(gòu)建,并運(yùn)用仿真系統(tǒng)對模型進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和系統(tǒng)動力學(xué)仿真分析。支架CAD/CAE虛擬樣機(jī)優(yōu)化設(shè)計仿真分析的基本步驟為:

⑴對液壓支架進(jìn)行三維實(shí)體構(gòu)建；

⑵在仿真系統(tǒng)中對構(gòu)建的液壓支架模型施加約束、設(shè)置材料屬性、施加載荷等；

⑶對模型進(jìn)行靜力、動力及運(yùn)動學(xué)仿真；

⑷對仿真結(jié)果進(jìn)行分析,看結(jié)果是否和設(shè)計目標(biāo)相一致,如果一致則對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,從而完成對液壓支架的優(yōu)化設(shè)計。否則,改進(jìn)液壓支架的幾何模型進(jìn)而改變載荷函數(shù),再完成上述內(nèi)容。

1 支架虛擬樣機(jī)的三維構(gòu)建

根據(jù)液壓支架工作現(xiàn)場狀況和液壓支架的一般設(shè)計原則,并結(jié)合前面對液壓支架的受力和承載能力分析的分析結(jié)果。利用CAD軟件建模工具構(gòu)建支架各主要元部件的實(shí)體模型，見圖1。再根據(jù)各組件的裝配關(guān)系,應(yīng)用約束操作、前后處理模塊和裝配功能完成液壓支架整架的三維實(shí)體模擬樣機(jī)，見圖2。由此產(chǎn)生了符合課題要求的支架運(yùn)動模型[1]。

圖1 底座和后連桿實(shí)體模型

圖2 液壓支架三維整體模型

2 支架虛擬樣機(jī)的受力分析

應(yīng)用CAD/CAE軟件系統(tǒng)對構(gòu)建的液壓支架三維實(shí)體模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真。首先對實(shí)體模型進(jìn)行力學(xué)簡化,然后對其施加約束、設(shè)置材料屬性、施加載荷等。其次對虛擬樣機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,最后對其進(jìn)行仿真,得出仿真結(jié)果。這樣,支架運(yùn)動系統(tǒng)及其元部件的設(shè)計就可以依據(jù)設(shè)計目標(biāo)不斷地細(xì)化、改進(jìn)。經(jīng)過測試確認(rèn)后,支架運(yùn)動特征就可以在CAD環(huán)境中建立更精確的結(jié)構(gòu)件三維實(shí)體幾何模型。

2.1 簡化模型

在對液壓支架虛擬樣機(jī)的有限元分析中,液壓支架的前梁機(jī)構(gòu)對液壓支架的受力影響不大,且支架在柱窩處所受到的力相對復(fù)雜。將立柱從支架抽離出來研究,即可得出液壓支架虛擬樣機(jī)在有限元分析的簡化模型，見圖3。

圖3 液壓支架簡化模型

2.2 材料屬性、邊界條件與載荷

1）材料與屬性

雖然在液壓支架設(shè)計中,支架各處使用的鋼材不經(jīng)相同,但所用各種鋼材的彈性模量、泊松比和密度基本相同,所以分析中應(yīng)用同種材料特性:E=210 GPa,μ=0.3,ρ=7850 kg·m-3。

2）邊界條件與載荷

在實(shí)際工作中,液壓支架承受工作面圍巖的壓力載荷和立柱的支撐載荷。依據(jù)MT312-2000《液壓支架通用技術(shù)條件》,為了模擬不同的井下工況,在型式試驗(yàn)中把墊塊放置在支架的不同位置。在有限元分析中,支架受到墊塊的作用力作為約束條件,約束支架3個平移自由度;4根立柱對底座柱窩、頂梁所施加的載荷為外載荷,以等效力加在柱窩上;由于立柱和柱窩之間為球面接觸,且分析中對球面載荷的處理比較復(fù)雜,根據(jù)圣維南原理,等效簡化球面接觸載荷,施加不同的工況下在柱窩處的靜載荷并分析計算[2]。

3）部件鉸接部位處理

液壓支架的主體部件采用銷軸鉸接,并且存在間隙,銷軸與銷孔間的接觸點(diǎn)是變化的,因此難以給在某種加載方式下的精確接觸邊界。本文使用ANSYS Workbench 中的 Joint(接頭)項(xiàng)的 Revolute(旋轉(zhuǎn)副)來處理各部件間的鉸接關(guān)系,而不做銷軸3D模型,這樣的處理方法雖然不能準(zhǔn)確地反映鉸接處的應(yīng)力,但對整體架型的應(yīng)力分布影響較小,符合有限元分析的要求。

2.3 網(wǎng)格劃分

在分析中,采用ANSYS Workbench中四面體單元Solid187和六面體單元Solid186來劃分實(shí)體;利用四邊形殼單元Shell181來劃分殼體,只對實(shí)常數(shù)進(jìn)行定義,而不對偏置和截面定義。局部網(wǎng)格細(xì)化應(yīng)力集中部位和關(guān)注部位,網(wǎng)格劃分后生成179000個單元,350000個節(jié)點(diǎn)，見圖4，5。

圖4 前后連桿網(wǎng)格劃分

圖5 液壓支架網(wǎng)格劃分

2.4 分析結(jié)果

1）頂梁扭轉(zhuǎn)工況有限元分析結(jié)果

頂梁扭轉(zhuǎn)的工況下,分析墊塊2種放置方法,應(yīng)力分布呈現(xiàn)的特點(diǎn)如下:在墊塊放置處出現(xiàn)最大應(yīng)力,應(yīng)力為668 MPa,此處不是分析關(guān)注區(qū)域,無參考價值。內(nèi)外主肋上的應(yīng)力為0～200 MPa,偏載墊塊靠近一側(cè)的內(nèi)主肋上出現(xiàn)最大應(yīng)力;蓋板上應(yīng)力為0～250 MPa,最大值出現(xiàn)在前柱窩上,最大554 MPa左右，見圖6。

圖6 頂板偏載受力分析

2）頂梁偏載工況有限元分析結(jié)果

頂梁偏載的工況下,應(yīng)力分布的特點(diǎn):在偏載墊塊放置處出現(xiàn)最大應(yīng)力490 MPa,此處不是關(guān)注區(qū)域,無參考價值;內(nèi)外主肋上應(yīng)力為0～200 MPa,偏載墊塊一側(cè)內(nèi)主肋上出現(xiàn)最大應(yīng)力;各蓋板上應(yīng)力為0～250 MPa,最大值出現(xiàn)在前柱窩上,最大439 MPa左右，見圖7。

圖7 頂梁扭轉(zhuǎn)受力分析

偏載工況下,掩護(hù)梁的應(yīng)力狀態(tài)十分惡劣,應(yīng)力分布的特點(diǎn):出現(xiàn)在靠近偏載墊塊一側(cè)掩護(hù)梁與頂梁的鉸接孔上的最大應(yīng)力為260 MPa,內(nèi)外主肋上應(yīng)力為0～360 MPa,最大應(yīng)力在外主肋的掩護(hù)梁與頂梁的鉸接孔上;蓋板上應(yīng)力為0～230 MPa。

3）底座扭轉(zhuǎn)工況有限元分析結(jié)果

底座扭轉(zhuǎn)的工況下,分析墊塊2種放置方法,分布特點(diǎn):最大應(yīng)力在底座過橋上,大小為1500 MPa,放置扭轉(zhuǎn)墊塊處應(yīng)力為600 MPa;內(nèi)主肋上應(yīng)力為0～350 MPa,內(nèi)主肋到大圓角處出現(xiàn)最大應(yīng)力,大約為350 MPa;蓋板上應(yīng)力為0～250MPa,最大值出現(xiàn)在前柱窩上,最大250 MPa，見圖8。

圖8 底座受扭轉(zhuǎn)工況受力分析

3 結(jié)論

在同煤集團(tuán)堅硬頂板條件下,在扭轉(zhuǎn)、偏載工況中,支架的頂梁、底座受力均不超過支架材料的屈服極限690 Mpa。 ZZ13000/28/60型液壓支架適合同煤集團(tuán)堅硬頂板的要求。為我國在堅硬頂板特大采高條件下一次采全高綜采設(shè)備的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),對實(shí)現(xiàn)大同礦區(qū)乃至我國其它地區(qū)的堅硬頂板條件厚煤層的高產(chǎn)高效開采,提高資源回收率,推動企業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

[1]寧桂峰.液壓支架三維動態(tài)設(shè)計與力學(xué)仿真研究[D].北京:煤炭科學(xué)研究總院,2004.

[2]王國法.液壓支架三維建模及其運(yùn)動仿真[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2003,31(1):42-45.