ZF7200型放顶煤液压支架的有限元分析
2012-03-08刘建英
刘建英，刘 军
（河南工程学院机械工程系，河南郑州 450007）
ZF7200型放顶煤液压支架的有限元分析
刘建英，刘 军
（河南工程学院机械工程系，河南郑州 450007）
依据国内最新制定的液压支架试验标准，选取ZF7200型放顶煤液压支架，分析了其整架有限元受力情况，通过对该架模拟仿真，不仅得出整个ZF7200型放顶煤液压支架的应力和变形分布，而且得出重要结构件的应力分布状况，为放顶煤液压支架的设计提供理论依据。
液压支架;有限元;分析
Finite Element Analysis of ZF7200 Top-coal Caving Powered Support
针对液压支架试验的现状，提出利用Solid-Works结合Simulation对ZF7200液压支架进行三维建模和空间受力分析，从而为设计ZF7200液压支架及其重要结构件提供参考信息，以解决样机试验中存在的问题。
1 制定分析方案
1.1 工程实际问题
对ZF7200放顶煤液压支架进行有限元分析，支架具体参数如表1。
表1 ZF7200型掩护式液压支架参数
1.2 确定分析类型
液压支架型式试验按有关标准执行［1－3］，型式试验是模拟井下各种危险工况对支架进行加载，是检验支架的设计和制造质量的重要方式。
本文只对顶梁扭转和底座两端集中载荷 （简称工况1）、顶梁偏载和底座两端集中载荷 （简称工况2）进行支架主体结构件的强度分析。
根据我国最新制定的《液压技术通用技术条件》（MT312－2000）对液压支架进行有关强度试验。工况1试验时，支架高度为支架的最大高度减去行程的1/3，根据ZF7200型掩护式液压支架的参数可算出其试验支架高度为2800mm;工况2试验时，支架高度为支架最低高度加300mm，支架试验高度为2100mm。工况1条件下试验压力为额定压力的1.2倍，即8640kN;工况2条件下试验压力为额定压力的1.1倍，即7920 kN。
1.3 分析软件选取
采用SolidWorks构建支架三维实体模型，以SolidWorks Simulation对支架进行静强度分析。
2 ZF7200型放顶煤液压支架的有限元分析
2.1 创建特征模型
SolidWorks软件的零件环境中通过特征造型生成支架的所有部件模型，然后在装配环境中进行装配。总装模型如图1所示。
图1 液压支架三维实体模型
2.2 定义材料属性
零部件的材料为Q465，其属性如表2所示。
2.3 划分网格
整机网格划分采用四面体实体网格单元，结果如图2所示。网格化后，最大单元大小60mm，最小单元大小12mm，节总数256390个，单元总数135416个。
表2 Q465材料明细
图2 液压支架整机网格化
2.4 定义边界条件
由于实际受载情况复杂，为了简化起见，对垫块进行固定。底座和前连杆、底座和后连杆、掩护梁和前连杆、掩护梁和后连杆、掩护梁和顶梁均采用销钉约束来代替实际的销，以减少计算量，零件之间采用无穿透接触。
在计算中不把试验台对垫块的作用力当作外力来考虑，而是将垫块作为ZF7200放顶煤液压支架整个结构的边界约束条件来处理。对于ZF7200放顶煤液压支架的内加载实验来说，外载荷只有立柱对顶梁和底座柱窝所加的载荷。对于ZF7200放顶煤液压支架主结构的应力分析中，不考虑立柱和柱窝的局部应力，因此，假定立柱传递给柱窝的外力均匀作用于柱窝表面［7－8］。
2.5 求解
根据分析类型，本分析选择FFEPluss求解器进行计算。
2.6 后处理
工况1有限元分析应力云图、位移云图及顶梁应力分布，见图3～图5。
从有限元分析的云图结果可以看出，在工况1下，应力集中在顶梁和底座的中部，与实际受力情况相符。用应力探测器探测顶梁主要受载部位应力在允许的范围之内，由图示可以看出最大应力出现在加载块附近，这是由于试验加载引起的应力集中，并且远离主要受载区，所以不予考虑，因此，在本工况下液压支架是安全的。
工况2有限元分析应力云图、位移云图及顶梁应力分布，见图6～图8。
图3 工况1下整架应力
图4 工况1下整架位移
图5 工况1下顶梁应力分布
图6 工况2下整架应力
从有限元分析的云图结果可以看出，在工况2下，顶梁和底座的变形较大，与实际工况受力变形一致。用应力探测器探测顶梁主要受载部位应力在允许的范围之内，由图示可以看出最大应力出现在加载块附近，这是由于试验加载引起的应力集中，并且远离主要受载区，所以不予考虑，因此，在本工况下液压支架是安全的。
图7 工况2下整架位移
图8 工况2下顶梁应力分布
3 结论
通过本文的研究，解决了ZF7200型放顶煤液压支架的三维建模与静强度分析，得出ZF7200型放顶煤液压支架的应力、变形情况，以及重要结构件的应力分布情况，为放顶煤液压支架的设计提供理论依据。
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TD355.41
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1006-6225（2012）01-0072-03
2011－09－19
刘建英 （1973－），女，山西大同人，讲师，在读博士生，主要从事机械方面的教学和研究。
［责任编辑:徐亚军］
