劉建英，劉 軍

(河南工程學(xué)院 機械工程系，河南 鄭州 451191)

針對液壓支架試驗的現(xiàn)狀，本研究提出了利用SolidWorks結(jié)合Simulation對ZF7200液壓支架進行三維建模和空間受力分析，從而在一定程度上代替了實際工程試驗并突破了其方法的局限性.利用計算機輔助分析方法對ZF7200液壓支架及其重要結(jié)構(gòu)件進行實驗仿真，為設(shè)計ZF7200液壓支架及其重要結(jié)構(gòu)件提供了豐富的信息，解決了樣機實驗中存在的問題.

表1 ZF7200型放頂煤液壓支架的參數(shù)Tab.1 Parameters of ZF7200 sublevel caving hydraulic support

1 制定分析方案

1.1 工程實際問題

本研究對ZF7200放頂煤液壓支架進行計算機模擬仿真，具體參數(shù)如表1所示.

1.2 確定分析類型

強度實驗是模擬井下各種危險工況如頂梁兩端集中載荷和底座兩端集中載荷、頂梁扭轉(zhuǎn)和底座兩端集中載荷、頂梁偏載和底座兩端集中載荷、頂梁中部集中載荷和底座兩端集中載荷、底座兩端集中載荷、頂梁兩端集中載荷和底座扭轉(zhuǎn)對支架進行加載，是對支架的設(shè)計和制造質(zhì)量檢驗的重要方式.本研究只對頂梁中部集中載荷和底座兩端集中載荷(以下簡稱工況1)、頂梁兩端集中載荷和底座扭轉(zhuǎn)(以下簡稱工況2)進行支架主體結(jié)構(gòu)件的強度實驗，液壓支架的檢驗按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-3]執(zhí)行.

根據(jù)我國最新制定的MT 312—2000《液壓技術(shù)通用技術(shù)條件》對液壓支架進行有關(guān)強度實驗的要求，對工況1、2實驗時，支架高度為支架的最大高度減去行程的1/3.根據(jù)ZF7200型掩護式液壓支架的參數(shù)，可算出其實驗支架高度為2 800 mm.每次實驗均壓5 min，換一次墊塊位置，加載3次.工況1、2條件下的實驗壓力為額定壓力的1.2倍，即8 640 kN.

1.3 選擇合適的分析軟件

本研究采用SolidWorks建模模塊構(gòu)建了支架三維實體模型，同時以SolidWorks simulation為依托，結(jié)合靜強度分析、運動學(xué)仿真、動力學(xué)分析等軟件模塊，組成一個軟件集成系統(tǒng)作為液壓支架設(shè)計系統(tǒng).對該設(shè)計系統(tǒng)而言，建模軟件是以支撐平臺的形式存在的，各功能軟件并行于該建模平臺之上.

2 ZF7200型放頂煤液壓支架的數(shù)值仿真與分析

圖1 液壓支架總裝三維模型Fig.1 Final assembly three-dimensional model of hydraulic support

2.1 創(chuàng)建特征模型

液壓支架三維實體模型的建立采用的是自上而下的方法[4-5]，也就是先在SolidWorks軟件的零件環(huán)境中通過特征造型來生成ZF7200放頂煤液壓支架的所有部件模型，然后在裝配環(huán)境中按各個裝配關(guān)系逐個進行ZF7200放頂煤液壓支架部件的裝配,總裝模型見圖1.

2.2 定義材料屬性

零部件的材料為Q465，其屬性見表2.

表2 Q465材料明細表Tab.2 Q465 materials specification

圖2 液壓支架整機網(wǎng)格化Fig.2 Complete machine reseau of hydraulic support

2.3 劃分網(wǎng)格

整機網(wǎng)格劃分采用四面體實體網(wǎng)格單元，結(jié)果如圖2所示.網(wǎng)格化后，最大單元的大小為60 mm，最小單元的大小為12 mm.網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)高，節(jié)總數(shù)為256 390個，單元總數(shù)為135 416個.

2.4 定義邊界條件

對生成的有限元模型定義載荷和約束.由于實際受載情況復(fù)雜，為了簡化起見，對受載塊進行固定.對底座和前連桿、底座和后連桿、掩護梁和前連桿、掩護梁和后連桿、掩護梁和頂梁均采用銷釘約束來代替實際的銷釘，為減少計算量，零件之間采用無穿透接觸.在計算中，不把實驗臺對墊塊的作用力當(dāng)做外力來考慮，而是將墊塊作為ZF7200放頂煤液壓支架整個結(jié)構(gòu)的邊界約束條件來處理.對于ZF7200放頂煤液壓支架的內(nèi)加載實驗來說，外載荷只有立柱對頂梁和底座柱窩所加的載荷.對于ZF7200放頂煤液壓支架主結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析中，不考慮立柱和柱窩的局部應(yīng)力，假定立柱傳遞給柱窩的外力均勻作用于柱窩表面[6].

2.5 求解

根據(jù)分析類型，本分析選擇FFEPluss求解器進行計算.

2.6 后處理

對工況1(調(diào)整支架高度2 800 mm、加載荷8 640 kN)的結(jié)果進行分析，分析結(jié)果可以通過應(yīng)力云圖與位移云圖很清楚地表達出來，見圖3與圖4.

圖3 工況1下整架位移云圖Fig.3 Complete machine displacement nephogram under working condition 1

圖4 工況1下整架應(yīng)力云圖Fig.4 Complete machine stress nephogram under working condition 1

從有限元分析的云圖結(jié)果可以看出，在工況1下，頂梁中部的應(yīng)力比較大，這與實際的受力情況相符.用應(yīng)力探測器探測頂梁的主要受載部位,應(yīng)力在允許的范圍之內(nèi).最大應(yīng)力出現(xiàn)在加載塊附近，這是由于實驗加載引起的應(yīng)力集中，并且遠離主要受載區(qū)，所以不予考慮，故在工況1下液壓支架是安全的.對工況2(調(diào)整支架高度2 800 mm、加載荷8 640 kN)的結(jié)果進行分析，分析結(jié)果可以通過應(yīng)力云圖、位移云圖很清楚地表達出來，見圖5與圖6.

圖5 工況2下整架位移云圖Fig.5 Complete machine displacement nephogram under working condition 2

圖6 工況2下整架應(yīng)力云圖Fig.6 Complete machine stress nephogram under working condition 2

從有限元分析的云圖結(jié)果可以看出，在工況2下，底座的變形較大，用應(yīng)力探測器探測底座的主要受載部位，應(yīng)力在允許的范圍之內(nèi).由圖示可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在加載塊附近，這是由于實驗加載引起的應(yīng)力集中，并且遠離主要受載區(qū)，所以不予考慮，在工況2下液壓支架是安全的.

3 結(jié)論

本研究依據(jù)國內(nèi)制定的有關(guān)液壓支架的最新實驗標(biāo)準(zhǔn)，選取了兩種ZF7200型放頂煤液壓支架整架分析的危險工況進行了計算機模擬仿真.通過對該架模擬仿真，不僅得出整個ZF7200型放頂煤液壓支架的應(yīng)力和變形分布，而且得出了重要結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力分布和模擬狀況,為ZF7200型放頂煤液壓支架的設(shè)計提供了理論依據(jù).在實際的液壓支架加載實驗中，可以以此模擬實驗的數(shù)據(jù)作為參考，在應(yīng)力比較大的部位安置應(yīng)變片，進行更有目的性的實驗.

參考文獻：

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