液压支架推移杆的力学分析和优化设计

李瑞杰,郭武增,杨元凯

(郑州煤矿机械集团股份有限公司,河南郑州 450013)

液压支架推移杆的力学分析和优化设计

李瑞杰,郭武增,杨元凯

(郑州煤矿机械集团股份有限公司,河南郑州 450013)

对推移杆进行力学分析和强度分析,采用合理的简化,尽可能减少优化设计中函数变量个数,得出结论并进行了设计优化验证,使推移杆截面最小化而承受载荷最大化,保证了井下高产高效工作面液压支架推移杆的可靠性,实现了材料的优化选取。

推移杆;液压支架;力学分析;优化设计

液压支架推移机构的受力主要包括推移千斤顶的拉压力、抬底千斤顶的抬底力和刮板输送机下滑所引起的侧向力,以上 3种外力作用于不同方向。推移机构的主要受力部件是推移杆,推移杆在井下复杂地质条件下很难与工作面底板平面接触,大部分工况是受到前、后约束而中部悬空,受力工况非常复杂。

1 推移杆力学模型及强度分析

推移杆受力如图 1。

图1 推移杆受力

推移杆在井下受 F2,F3,F4三种力同时作用的几率极小,因为拉架状态下推移杆前端导向板未进入底座内主筋限位,其推移杆受侧向力较小,仅限于移架偏移所受摩擦力。静载荷分析时,由于推溜力远小于拉架力,不需强度校核,只考虑拉架力即可,拉架状态推移杆受力最大。根据推移杆使用工况,在拉架状态下,取推移杆前端为固定铰支座,其余约束全部为活动铰支座。

图2 推移杆截面一

目前推移杆设计结构普遍为二箱型结构件,见图 2、图 3,大部分推移杆通常为等截面,一小部分在推移杆前端或后端截面变小,但为等强度设计型式。推移杆截面分别由面积为 A1,A2,A3,A4,A5五块板组成,板 A5除了承受弯曲和拉压外,主要是增加抬底时板A3的承载刚性。目前国内外推移杆设计时,同一截面普遍采用A1=A2,A3=A4,即两立板的厚度相同,上、下腹板厚度相同,但布置结构型式有2种。

1.1 推移杆强度分析

图3 推移杆截面二

1.1.1 拉架状态推移杆受拉应力

推移杆纯拉力 F4x=F4cosα4

式中,F4为推移千斤顶的拉架力;α4为推移千斤顶与水平推移杆的夹角,α4为变值,取值为 3～6°,计算时取实际最大值。

推移杆截面一截面积A:

推移杆截面二截面积A:

推移杆拉应力为:

式中,σ1为推移杆纯受拉状态拉应力。

1.1.2 拉架状态推移杆抬底纯受弯曲应力

推移杆长度1/2处弯距最大,对X轴截面一惯性距:

对 X轴截面二惯性距:

推移杆的最大弯距 (长度 1/2处):

推移杆上下表面最大弯应力:

推移杆长度 1/2处剪应力:

1.1.3 推溜状态推移杆全伸时侧向力纯受弯应力

当推移杆前端作用 F2力时,推移杆前端距抬底导轨前沿距离 L11处所受弯距最大,由于抬底导轨前沿距中心线较近取L11≈。

对 Y轴截面一惯性距:

对 Y轴截面二惯性距:

推移杆最大弯距近似值 (长度 1/2处):

推移杆左右侧面最大弯应力近似值:

如前面所述,推移机构推移杆伸出全行程侧向力很小,目前国外标准移架侧向力只按 100kN考虑,如果考虑推移杆全伸出时侧向力为推移力的1/2时,加在移架力系中校核推移杆强度是不合理的。对推移机构强度校核,分开工况校核是合理的,2种工况分别满足强度要求即可。

(1)推移装置拉架状态推移杆等效应力:

拉架状态下可不考虑推移杆的侧向力,如果考虑,因侧向力 F2较小,取 100kN。

推移杆截面最大拉应力为:σ1+σ2+σ′3

式中,σ′3为侧向力 100kN时的拉压应力。

则推移杆截面尖角处的等效最大应力为:

推移杆安全系数:

(2)推移装置全伸出受 1/2推溜力时推移杆应力:

推移杆安全系数:

式 (5), (6)中,[σ]为材料的许用屈服应力。目前所选板材分别为 Q345,Q460,Q550, Q690,Q890。对高产高效工作面大工作阻力大配套支架,推移杆选材普遍为Q690和Q890。[σ]取690MPa和 890MPa。

为了保证推移杆的可靠性,n1取值 1.4～2,n2取值大于 2。根据目前推移机构与底座配合结构及井下使用功能,推移杆伸出状态不可能受到 1/2推溜力,推移杆优化设计时可以不考虑此工况,只要满足 n1的安全系数,推移杆设计是安全的。

2 推移杆的优化设计

通过以上力学分析和强度分析,采用合理地简化,尽可能地减少优化设计中函数变量个数。液压支架推移机构推移杆设计过程中,F2从试验标准中取值,100kN至 1/2的推溜力,优化设计中取 F2=100kN。

F3根据支架重量和底座扎底情况给定,目前抬底千斤顶常用的缸径为 <110mm,<125mm和<140mm,其额定抬底力分别取 299kN,386kN, 484kN。

F4根据支架重量和底板状况给定,一般给定拉架力是支架重量的 2～3倍。目前推移千斤顶常用的缸径分别为 <140mm,<150mm,<160mm, <180mm,<200mm,其额定拉架力分别取 484kN, 556kN,633kN,801kN,989kN。

α4根据推移千斤顶的布置取值,α4通常在 3～6°内取值,优化设计时可取其大值。

B5在推移机构设计时给定,与支架中心距、立柱缸径有关,在支架中心距 1.75m时,取值在 180～250mm。

L与支架配套、推移步距、推移千斤顶布置有关,设计时推移杆长度已给定。

优化设计时,推移杆高度 H2为目标函数,其设计变量分别为δ1,δ2,δ3和 [σ]。其中,δ3一般取值16mm或20mm,可作为给定值。

因此,设计变量 x=[δ1,δ2,[σ]]

高产高效液压支架推移杆设计,当 H2< 150mm时,[σ]取 890MPa;当 H2≥150mm时, [σ]取 690MPa或 890MPa。

标准提供的板材厚度是固定的,推移机构推杆设计时所选板材δ1取值为 16mm,20mm,25mm, 30mm;δ2取值为 12mm,16mm,20mm,25mm, 30mm。确定了δ1,δ2的取值范围,求取目标函数。

其中,1.4≤C≤2

3 ZY10800/28/63推移杆强度分析及优化验证

ZY10800/28/63支架工作阻力 10800kN,最大采高 6.3m,支架中心距 1.75m,支架重量 42t。输送机分别为艾柯夫 SL1000和 joyAFC-48。

参数取值为:F2:100kN和 251kN;F3: 485kN;α4: 5°; F4x: 985kN;B5: 180mm;L: 3367mm;δ3:20mm;[σ]:890MPa;δ1:25mm; δ2:25mm;H2:170mm。

计算结果如下:

推移杆截面积:S=14150mm2;

推移杆纯拉应力:σ1=69.6MPa;

推移杆截面对 X轴惯性距:

推移杆受抬底力上下表面弯应力:

推移杆受抬底力状态时的切应力:τ=34MPa;

推移杆对 Y轴截面惯性距:JY=60658000mm4;

推移杆受 1/2推溜力的侧向力时的最大应力: σ3=313MPa;

推移杆受 100kN的侧向力最大应力:σ3= 12.4MPa;

推移杆拉架时,推移抬底同时作用最大正应力为:σ1+σ2=617.6MPa;

推移杆拉架状态的最大等效应力:F2=100kN时,σr=537.4MPa;

推移杆拉架状态安全系数:n1=1.41;

推移杆全伸出承载 1/2推溜力的安全系数:n2=2.84。

根据以上计算分析,ZY10800/28/63支架推移杆优化合理,倒装整体推杆结构性能可靠。

4 结束语

通过分析、研究和优化设计,使推移杆截面最小化,而承受载荷最大化,在保证井下高产高效工作面液压支架推移杆可靠性前提下,实现材料的优化选取。

[1]王国法,等 .液压支架技术 [M].北京:煤炭工业出版社, 1999.

[2]赵宏珠 .综采面矿压与液压支架设计 [M].徐州:中国矿业学院出版社,1987.

[3]朱诗顺 .液压支架结构与材料优化设计的理论、方法及应用的研究 [D].北京:中国矿业大学 (北京),1994.

[4]韩大中.液压支架空间力系优化设计及 CAD[M].西安:西安矿业学院出版社,1996.

[5]MT/T169-1996液压支架型式与参数 [S].北京:中国标准出版社,1997.

[责任编辑:张银亮]

M echan ics Analysis and Optim ized Design of Process-oriented Bar in Powered Support

L IRui-jie,GUO Wu-zeng,YANG Yuan-kai

(Zhengzhou CoalMachinery Group Co.,Ltd,Zhengzhou 450013,China)

This papermade mechanical and strength analysis on process-oriented bar and ult imately reduced variable number in optimization design by rational simplification.Optimized result made the cross-section of process-oriented bar minimum and bearing load maximum,which ensured stability of process-oriented bar of powered support formining face with high production and high efficiency and realized optimized material selection.

process-oriented bar;powered support;mechanical analysis;opt imization design

TD355.41

A

1006-6225(2010)03-0082-03

2010-02-28

李瑞杰 (1971-),女,河南郑州人,工程师,主要从事煤矿机械设计研究。