30000kN液压支架试验台的有限元力学性能分析

　第38卷第3期

煤炭科学技术

Vol 138　No 13 2010年

3月

Coal Science and Technol ogy

March 2010　

30000k N 液压支架试验台的有限元力学性能分析

朱红波,刘　旭

(郑州煤矿机械集团股份有限公司,河南郑州　450013)

摘　要:为了研制高产高效高可靠性的高端液压支架,作为安全性能和技术性能试验检测的关键设备———大吨位试验台的性能是非常重要的。利用ANSYS 软件获得了30000kN 液压支架试验台在液压支架不同加载模式下的应力及应变分布情况,分析了影响试验台可靠性的应力集中问题。研究结果表明,试验台在30000kN 压力下各个工况受力均在安全范围内,而应力分布严重不均匀,因此妥善处理接触部位的倒角过渡对提高试验台的可靠性具有重要意义。关键词:大吨位;液压支架;试验台;有限元法;力学性能中图分类号:T D35514 文献标志码:A 文章编号:0253-2336(2010)03-0087-03

Ana lysis on F i n ite Elem en t M echan i cs Performances of 30000kN

Hydrauli c Powered Support Test R i g

ZHU Hong 2Bo,L I U Xu

(Zhengzhou Coal M ining M achinery Group Co m pany,Zhengzhou 450013,China )

Abstract:I n order t o research and devel op the high p r oducti on,high efficient,high reliability and high ranking hydraulic powered sup 2ports,the perfor mance of the high t onnage test rig t o test and measure the safety perf or mance and technical perf or mance were very i m por 2tant .W ith the ANSYS s oft w are,the stress and strain distributi ons of the 30000k N hydraulic powered support test rig under the different l oading mode of the hydraulic powered supports were obtained and the stress concentrated p r oble m s influenced t o the reliability of the test rig was analyzed .The research results showed that each perf or mance stressed of the test rig under the p ressure of 30000k N would be all within the safety scope .Due t o the stress was not well distributed seri ously,the p r oper treat m ent of the cha mfer angle transiti on f or the contact l ocati ons would have the great significances t o i m p r ove the reliability of the test rig .

Key words:high t onnage;hydraulic powered support;test rig;finite ele ment method;mechanics perfor mance

基金项目:河南省重大科技专项资助项目(0811********)

1　概 述

大吨位液压支架试验台是高产高效高可靠性液压支架安全性能和技术性能试验检测的关键设备,已经成为国际煤矿液压支架技术发展的重要内容。目前,世界各主要产煤国都在积极开展液压支架整架试验台的研究,主流试验台可承受千吨级以上的垂直载荷,如德国DBT 液压支架整架试验台可承

受垂直载荷20000kN (2000t ),水平载荷6000k N (600t ),试验高度最高5m 。国内试验台的承

载能力和试验高度均与国际先进水平有一定差距,国内最大整架试验台能垂直承受10000kN 的载荷,试验高度最高可达5m 。现阶段国内承载能力10000kN 以上的试验台研究还处于空白状态。随

着液压支架支护强度越来越大,支护高度越来越高,迫切需要研制更大吨位液压支架试验台来提高液压支架的检测水平。 笔者所研究的智能化液压支架试验台沿垂直方向承受30000kN 的荷载,技术水平达到国内、国

际同类试验台的领先水平[1]

,通过ANSYS 有限元分析软件对试验台在不同加载模式下的受力及应力分布进行分析,对试验台的强度进行校核,并对试

验台的结构优化提出建议[2-3]

。

2　试验台整体分析和模型的建立

30000kN 智能化液压支架试验台是按EN1804-1标准设计,采用内加载模式,试验台结构件材料为Q460钢板,销轴和轴套材料为30Cr M nTi 。2种材料的弹性模量均为210GPa,泊松比均为013,强度极限分别为460和1400MPa 。

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在有限元分析之前,对试验台在不同加载模式下可能出现的受力状况进行分析。在液压支架受力试验过程中,为了真实模拟支架的受力情况,通常采用5种不同的受力模式对液压支架的力学性能进行测试。典型的工况(受力状态)有:顶梁偏载、底座弯曲加载;顶梁弯曲加载、底座偏载;顶梁中心加载、底座对称边缘加载;立柱窝中心加载;顶

梁底梁对称加载[4-5]

。在液压支架试验过程中,这5种工况的受力是通过在支架的不同位置放置垫块实现的(图1),与此对应的是试验台的5种受力状态。在此有限元分析中,将针对5种加载模式对试验台的受力和应力状态进行分析。另外,从这5种加载模式可以看出,试验台的顶梁和底座上的应力分布比较复杂,易出现应力集中。图1中M 为顶梁柱窝中心线与底座柱窝中心线距离,垫块1和2距顶梁柱窝中心线等距

。

图1　试验台在工况1模式下的垫块位置

在受力分析和有限元数值分析方法中,对液压

支架主要施力构件和试验台的顶底板进行模型简化,目的是得到试验台顶底板上的作用力,试验台的有限元模型如图2所示。30000k N 压力主要引起试验台顶底板的竖向力,随着试验台顶板位置的降低,支架压力角度发生变化,导致竖向力略有减小,而水平力增加。由于水平力是由摩擦力引起的,增加的幅度受到摩擦因数为0115的限制,试验台高、中、低位危险状态主要受竖向力控制。比

较高、中、低位竖向力的计算结果[2]

可知,高位状态竖向力略大。高位状态时,试验台全部构件参与受力而变形,且刚度和强度都属最危险工况。故在有限元分析计算中,仅考虑高位加载工况。 在此有限元模型中,立柱、基座、顶板、

底板图2　试验台的有限元模型

和横梁采用壳单元;销轴、地面采用体单元;上下

连接杆、侧稳杆、剪刀叉和斜撑杆采用梁单元[6]

。整个模型共365940个单元。

根据试验台结构实际工作状态,由于试验台是采用内加载方式工作,所以模型的约束条件为固定地面的下表面和侧稳杆下端,即全自由度施加一个

位移量为零的约束[7]

。连接方式为侧稳杆上端点和立柱对应节点耦合平动自由度,除侧稳杆外的所有梁单元与其他构件的连接方式均为耦合对应节点的全部自由度。

3　有限元力学性能分析

利用有限元软件ANSYS 对液压支架试验台的实体模型进行有限元分析,可以得出试验台在不同加载工况下的应力状况,其分布如图3所示。 比较图3各工况下的整体等效应力分布可以看出,5种加载模式下试验台的应力均处于低水平状态,应力大部分处于200MPa 之下,其中顶底板的

应力分布变化较大,局部存在应力集中现象。同

时,不同的加载模式下应力的分布和集中区域也不同。具有普遍规律的是在垫块附近应力水平比较高,但是垫块附近并没有出现应力集中和应力奇点,一般小于300MPa,因此试验台结构设计合理。比较各图中的应力分布可知在顶梁偏载、底座弯曲加载模式下最大应力达到1000MPa,局部最高应力为1090MPa,出现的位置在顶板倒角过渡的地方。其他加载模式下试验台的最大应力为800MPa,出现的位置也基本相同。 图4是工况1加载条件下顶板的局部应力分布,通过对各模型的精细分析可知局部最大应力出现在上顶板倒角过渡的地方,这主要是因为倒角过小使应力无法顺利传递和释放,从而导致应力集中。这一方面反映了大尺寸、复杂结构的有限元模

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型在细节处理上的不足,另一方面也说明了试验台的顶板倒角过渡的地方是应力集中容易出现的区域,在实际应用中要进一步对结构和强度设计进行整改,以增加试验台的可靠性

。

图3　

各工况下的整体等效应力分布

图4　工况1条件下顶板局部应力分布

试验台的整体位移图与应力分布图基本吻合,

特别是在位移量大的区域。工况1的整体位移如图5所示

。

图5　工况1的整体位移

工况1的最大位移为1510mm ,对应应变为

012%,在钢结构的弹性范围内,出现在顶板的偏载端边缘,次最大位移为616mm ,对应应变为

0108%,出现在底板的中心,除横梁外,其余构件

位移远低于上述值。

4　结 语

利用有限元法研究了液压支架试验台的应力和

应变情况,分析了5种工况下的应力和应变。研究表明,试验台在高位加载时应力水平高,特别是在顶梁偏载、底座弯曲加载模式下试验台的应力水平和应力集中都比较明显,而其他加载模式下应力水平和应力集中相对较低。试验台在30000kN 压力下各工况受力均在安全范围内。分析还表明应力分布严重不均匀,整个结构大面积出现低应力状态,应力值约为200MPa,但倒角过渡区域等局部位置应力值达到1000MPa,因此妥善处理接触部位的倒角过渡对提高试验台可靠性有重要意义。

参考文献:

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(下转第92页)

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个设备的监测等进行控制。 该设备的工作流程如图3所示,当定位平台在初始位置时,链轮被固定在冷却装置的定位平台上后,火焰位置调整装置的喷枪支座按要求安装好,控制系统根据输入的链轮参数(如齿数等)使火焰位置调整装置(主要是圆周等分机构)运动到设定的状态。若设备正常,则火焰加热装置开始工作,链轮与火焰加热装置的喷嘴都不动(每个工作喷嘴指向对应的链窝)或工作喷嘴不动而链轮随定位平台旋转。控制系统检测链轮被加热到淬火温度后,关闭供气装置,链轮随定位平台一边旋转一边下降至终点位置,此时链轮已全部没入淬火液池中。到达终点位置后定位平台应继续旋转直至冷却结束。冷却结束后链轮随定位平台升至初始位置。如果下一次要处理的链轮与这次的规格不同,需要在下一个工作循环开始前更换火焰位置调整装置的喷枪支座

。

图3　控制系统流程

3　结 语

该圆环链链轮火焰淬火设备在满足基本功能要求的前提下,具有一定的柔性,能对多种规格的链轮进行处理。不仅能够提高链轮火焰表面淬火工艺的效率和质量并实现工艺过程的自动化,而且可以节约能源和减少排放。其圆周等分机构和冷却装置运动机构的设计对为需要多处局部淬火零件(如齿轮等)的专用淬火设备开发和改进都具有一定参考意义。

参考文献:

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作者简介:周仲波(1982-),男,河南息县人,硕士研究生,研究方向为机械设计及理论。Tel:135********,E -mail:

zhouzhongbo2007@1631com

收稿日期:2009-11-15;责任编辑:张　扬

(上接第89页)

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作者简介:朱红波(1977-),男,河南郑州人,工程师,主要从事高端液压支架关键技术研究。Tel:0371-********,E -mail:jlyh0623@sina 1com

收稿日期:2009-12-11;责任编辑:赵　瑞

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