劉建英，劉 軍

(河南工程學(xué)院 機(jī)械工程系，河南 鄭州 451191)

針對液壓支架試驗(yàn)的現(xiàn)狀，本研究提出了利用SolidWorks結(jié)合Simulation對ZF7200液壓支架進(jìn)行三維建模和空間受力分析，從而在一定程度上代替了實(shí)際工程試驗(yàn)并突破了其方法的局限性.利用計算機(jī)輔助分析方法對ZF7200液壓支架及其重要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jī)實(shí)驗(yàn)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(shí)際問題

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

1.2 確定分析類型

強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)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(jìn)行加載，是對支架的設(shè)計和制造質(zhì)量檢驗(yàn)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(jìn)行支架主體結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，液壓支架的檢驗(yàn)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(jìn)行有關(guān)強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的要求，對工況1、2實(shí)驗(yàn)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(hù)式液壓支架的參數(shù)，可算出其實(shí)驗(yàn)支架高度為2 800 mm.每次實(shí)驗(yàn)均壓5 min，換一次墊塊位置，加載3次.工況1、2條件下的實(shí)驗(yàn)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(shí)體模型，同時以SolidWorks simulation為依托，結(jié)合靜強(qiáng)度分析、運(yùn)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(shí)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(jìn)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(xì)表Tab.2 Q465 materials specification

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

2.3 劃分網(wǎng)格

整機(jī)網(wǎng)格劃分采用四面體實(shí)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(shí)際受載情況復(fù)雜，為了簡化起見，對受載塊進(jìn)行固定.對底座和前連桿、底座和后連桿、掩護(hù)梁和前連桿、掩護(hù)梁和后連桿、掩護(hù)梁和頂梁均采用銷釘約束來代替實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(dá)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(shí)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(shí)驗(yàn)加載引起的應(yīng)力集中，并且遠(yuǎn)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(jìn)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(dá)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(shí)驗(yàn)加載引起的應(yīng)力集中，并且遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行了計算機(jī)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(shí)際的液壓支架加載實(shí)驗(yàn)中，可以以此模擬實(shí)驗(yàn)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(jìn)行更有目的性的實(shí)驗(yàn).

參考文獻(xiàn)：

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