基于有限元法液压支架的疲劳寿命分析说明

基于有限元法液压支架的 疲劳寿命分析健 杨 本 栏 目 编 辑　 郑晓雯* 张 衡 刘金龙 安许良中国矿业大学 (北京) 机电与信息工程学院 北京 100083 翟 小 华 摘要：根据 ZY6000/ 25/ 50 型两柱掩护式液压支架运行工况，对其进行有限元分析和动力学仿真分 析，获得其应力分布和力-时间载荷历程。把静态应力与力-时间载荷历程相结合，计算出顶梁的动 态应力，利用材料的疲劳寿命 S-N 曲线，对液压支架顶梁进行疲劳寿命分析，获得了其疲劳寿命分 布云图和有关数据，为液压支架的研制和改进提供了参考。 关键词：液压支架；疲劳寿命；有限元法；动态仿真 中图分类号：TD355+.41 文献标识码：A 论文编号：1001-3954(2010)17-0007-04 采 掘 Fatigue life analysis of hydraulic support based on FEM ZHENG Xiaowen ZHANG Heng LIU Jinlong AN Xuliang School of Mechanical, Electronic & Information Engineering, China University of Mining & Technology (Beijing), Beijing 100083, China Abstract：According to the operation conditions of two-column shield hydraulic support ZY6000 / 25 / 50 , the finite element analysis and dynamic simulation of the hydraulic support were carried out, and the stress distribution and the loading process of force vs. time were obtained. Combining the static stress with the loading process of force vs. time, the dynamic stress of the top beam was calculated. The fatigue life of top beam was analysed with S-N fatigue life curve of material, then the fatigue life distribution nephogram and the relevant data of top beam were obtained. The results provide references for the development and improvement of hydraulic supports. *作者简介：郑晓雯，女，1958 年生，博士，教授，博士生导师，主要从事机械现代设计方法及应用方面的研究。 且焊接电流控制在 350～380 A 之间，焊接材料选用 低强匹配、500 MPa 以上级优质焊丝，高强度钢板组 焊后均经焊后热处理消除焊接应力。 (2) 支架组焊件中各装配孔均经组焊后整体镗 孔，确保工件的互换性和装配精度。 7 结语 ZY4400/ 10/ 20 型大倾角液压支架制造技术在国 内属于先进水平。其焊缝设计方案得到了煤炭研究总 院开采研究所设计人员的认可，在随后的 ZF13000、 ZF15000 型支架设计中，开采研究所均采纳了该焊缝 设计方案。该支架采用的结构件肋板凸起方式在国内 属先进水平。参 考 文 献 [1] 鲁忠良，景国勋，肖亚宁. 液压支架设计使用安全辨析 [M]. 北京：煤炭工业出版社，2006. [2] 黄文哲. 焊工手册 [M]. 北京：机械工业出版社，1992. [3] 成大先. 机械设计手册 [M]. 北京：化学工业出版社，1993. □ (收稿日期：2010-02-10) (修改稿日期：2010-03-18) 6 应用效果及社会、经济效益 ZY4400/ 10/ 20 型液压支架投入雁崖矿使用后， 效果良好，1 a 来未发生任何质量事故和顾客投诉。 该支架的研制，开拓了中央机厂产品研制的新领域， 增大了产品制造范畴，为中央机厂创造工业产值 1 680 万元。 7 第 38 卷 2010 年第 17 期 本 栏 目 编 辑　 杨 健 翟 小 华 Keywords：hydraulic support; fatigue life; FEM; dynamic simulation 液 定的工作空间，保证工人安全和各项作业的正压支架在煤矿采掘业中具有重要作用，维持一 常进行[1]。液压支架的主要构件属于复杂结构件，其 安全性和可靠性直接决定着综采技术的成败。因其工 况复杂，长期承受变化的动态载荷，因此，疲劳是其 主要的失效形式。如何准确评估其疲劳寿命一直是人 们关注的焦点，疲劳分析法就是用来处理动应力及由 此产生的破坏的基本方法[2]。笔者以 ZY6000/ 25/ 50 型两柱掩护式液压支架为研究对象，利用 Adams、 Nastran 及 Fatigue 等分析软件，对其疲劳寿命进行研 究。 端加载；② 工况 2，顶梁偏载，底座前端加载；③ 工 况 3，顶梁扭转，底座前端加载。3 种工况的有限元 分析结果分别如图 1～3 所示。 从图 1～3 中可以看出，最大 Von Mises 应力均 发生在顶梁与平衡千斤顶相连接的销轴孔处，在这 3 种工况下此部位最危险，从而确定液压支架顶梁为主 要研究部件。 2 力学仿真分析 2.1 力学仿真分析模型的建立应用 Adams 仿真分析软件对液压支架进行力学 分析，以工况 1 为例建立约束条件。首先，在顶梁与 掩护梁、掩护梁与前后连杆、前后连杆与底座间采用 转动副连接；其次，在顶梁上面和底座下面共创建 3 个长方体来模拟垫块，垫块与顶梁、底座的接触用 contact 来约束；最后，使用固定副将垫块与大地进行 固定。所建立的液压支架力学分析模型如图 4 所示。 采 掘 1 有限元分析 液压支架的工作环境非常复杂，顶梁上的载荷既 非集中载荷又非均布载荷，分布规律因支架与顶板的 接触情况而异。在此选取了以下 3 种典型工况对液压 支架进行有限元分析：① 工况 1，顶梁弯曲，底座前 图 1 工况 1 中应力分布 Fig 1 Stress distribution in condition 1 图 4 液压支架力学分析模型 Fig 4 Mechanical analysis model of hydraulic support 2.2 静力学仿真分析应用 Adams 对液压支架进行静力学分析，可以 获得结构件销轴孔处的受力情况，所得到的结果可以 为静态有限元分析提供计算依据。 加载情况：立柱压力为其额定工作阻力的 1.2 倍，即为 3 000×1.2＝3 600 kN；平衡千斤顶的压力 为额定工作阻力，即为 1 318 kN。 在顶梁与掩护梁相连的销轴孔、顶梁和平衡千斤 顶相连的销轴孔及顶梁的立柱柱窝处编号分别为 joint 9、joint 17、joint 3、joint 1、joint 2，如图 5 所示。仿 图 2 工况 2 中应力分布 Fig 2 Stress distribution in condition 2 8 图 3 工况 3 中应力分布 Fig 3 Stress distribution in condition 3 图 5 顶梁连接副编号 Fig 5 Number of top beam joints 第 38 卷 2010 年第 17 期 真分析结果 (即顶梁销轴孔及立柱柱窝所受分力) 见表 1。由表 1 可知，顶梁在 z 轴方向上所受的力远小于 x 轴和 y 轴方向上的力，在对顶梁的有限元分析和疲劳 分析中可以忽略不计。表 1 静力学分析结果 Tab 1 Statics analysis results 编号 Joint 1 Joint 2 Joint 3 x 方向 -625 -748 -950 y 方向 3 545 3 521 932 z 方向 15 20 0 编号 Joint 9 Joint 17 x 方向 2 950 2 880 y 方向 -1 780 -1 770 3 疲劳寿命分析在疲劳寿命分析中有 2 个关键：一是要得到结构 的动态应力，即应力-时间历程；其次要有材料的疲 劳寿命 S-N 曲线[4]。其中结构的动态应力可由有限元 静力学分析的静态应力与动力学分析的力-时间历程 关联得到。 把 Adams 静力学分析结果 (即表 2 中的数值) 加 载到顶梁相应的铰接处，并在顶梁与垫块相接触位置 添加约束，进行有限元分析，有限元分析的结果如图 8 所示。然后在 Fatigue 疲劳寿命软件中，把有限元分 析的结果与动力学分析的结果相关联，即可得到液压 支架顶梁的应力-时间历程。 杨 健 本 栏 目 编 辑　 kN z 方向 -185 -180 翟 小 华 2.3 动力学仿真分析通过动力学分析可以得到结构在某种工况下，关 键部位所受的力、速度和位移的时间历程数据[3]。加 载情况如下。 在对液压支架进行动力学分析中，其外载荷由 两部分组成：一是立柱对顶梁和底座的柱窝施加的载 荷；二是平衡千斤顶对顶梁和掩护梁施加的载荷。根 据 MT 312-2000《液压支架通用技术条件》中对液压 支架耐久性试验的规定，立柱对顶梁底座的柱窝施加 的载荷为额定工作阻力的 1.05 倍，即为 3 000×1.05 ＝3 150 kN。由于液压支架属于低频次疲劳破坏，所 以不考虑频率对其疲劳的影响，取一次循环时间为 9 s，分为初撑加载期 2 s、增压期 4 s、稳压期 2 s 和卸 载期 1 s 4 个阶段。平衡千斤顶的压力恒为额定工作 阻力，即为 1 318 kN。 通过动力学分析，可以得到液压支架顶梁 joint 17、joint 9 处的力-时间历程，分别如图 6、7 所示。 采 掘 图 8 顶梁有限元分析应力分布 Fig 8 Stress distribution of top beam 使用 Fatigue 软件对顶梁进行疲劳寿命分析，得 到寿命云图如图 9 所示。 图 9 顶梁疲劳寿命云图 Fig 9 Fatigue life distribution nephogram of top beam 图 6 顶梁 joint 17 处的力-时间载荷历程 Fig 6 Loading process of force vs. time of top beam joint 17 由图 9 可以看出，ZY6000/ 25/ 50 型两柱掩护式 液压支架的疲劳薄弱环节在顶梁与掩护梁相连接的耳 座处，节点 267 疲劳损伤最为严重，疲劳寿命最短， 循环次数为 1.427×105 次。 4 结语 (1) 利用 Adams、Nastran 和 Fatigue 分析软件联 合进行疲劳分析，为类似液压支架这种工况复杂、承 受载荷为动态载荷的大型机械的疲劳寿命评估提供了 新的尝试。 (2) 分析得到了 ZY6000/ 25/ 50 型两柱掩护式液 压支架的疲劳寿命云图及疲劳寿命循环次数，顶梁与 掩护梁相连接的销轴孔处是其疲劳薄弱环节，节点 267 疲劳损伤最严重。 图 7 顶梁 joint 9 处的力-时间载荷历程 Fig 7 Loading process of force vs. time of top beam joint 9 9 第 38 卷 2010 年第 17 期 本 栏 目 编 辑　 杨 健 翟 小 华 液压支架的数字化样机设计与仿真闫向彤西安科技大学机械工程学院 陕西西安 710054 采 掘 摘要：液压支架是综采工作面核心设备，采用 Pro/ E 软件实现液压支架零件的三维实体建模，通过虚 拟装配建立液压支架的数字化样机，利用 Pro/ E 的仿真功能对支架的伸柱、降柱、推溜、移架的运动 过程进行了运动仿真，研究样机的运动学特性。液压支架数字化样机的建立可以缩短其设计周期并提 高设计质量，有助于液压支架的优化设计。 关键词：液压支架；Pro/ E；数字化样机；运动仿真 中图分类号：TD355；TD391.9 文献标识码：A 论文编号：1001-3954(2010)17-0010-03 Design and simulation of digitized prototype for hydraulic support YAN Xiangtong School of Mechanical Engineering, Xi’an University of Science & Technology, Xi’an 710054, Shaanxi, China Abstract：The hydraulic support is the core equipment on the fully-mechanized working face. 3 D modeling of hydraulic support was realized with Pro/ E, and the digitized prototype for hydraulic support was established by virtual assembly. The movement simulation of support such as column lifting and falling, horizontal slide were conducted with Pro/E, and the kinematic characteristics of prototype studied also. The establishment of digitized prototype for hydraulic support may reduce the design cycle time as well as improve the design quality, which is helpful for the optimization design of hydraulic support. Keywords：hydraulic support; Pro/ E; digitized prototype; movement simulation 液 模式，这种建立在物理样机上的研发模式，成压支架传统设计是一种基于经验、类比的设计 本高，开发周期长。如果物理样机试验不够充分，产 品定型后会造成不可预知的结果，从而严重影响到液 压支架的质量[1]。 许多企业使用数字化样机技术设计产品，设计、 装配和测试均在计算机中完成，实现无纸设计，使产 品开发周期减少一半。由此可见，数字化样机对企业 具有重要意义[2]。不断地吸收国外先进的设计理念， 引入新的设计手段，是液压支架设计的发展方向，因 此，迫切需要针对液压支架的特点，建立液压支架数作者简介：闫向彤，男，1974 年生，博士，讲师。主要研究方 向为数字化设计与制造、MEMS 设计方法学。 字化样机系统。 1 液压支架的数字样机设计在传统的工程设计中，设计人员首先在头脑中 形成产品的三维轮廓，然后在图纸上利用二维工程图 表示，其他设计人员以及工艺生产等不同部门的人员 再通过二维图纸将产品还原为三维影像。由于图纸问 题和理解偏差，生产人员总是不能很好地理解和实现 设计人员的意图，加之设计周期较长等诸多因素，使 得三维实体模型设计成为必然趋势。尤其对于液压支 架，采用三维实体模型设计能更好地表达其结构，是 产品快速设计的重要途径[3]。 参 考 文 献 [1] 胡 敏，崔江红，曹必德. ZF7200/ 18/ 35 型液压支架有限元 分析 [J]. 煤矿机械，2009，30(5)：87-89. [2] 陈亚娟，汪小平，刘承科. 基于有限元法的摩托车车架疲劳寿 命分析 [J]. 摩托车技术，2009(6)：44-46. [3] 李增刚. ADAMS 入门详解与实例 [M]. 北京：国防工业出版 社，2006：115-117. [4] 周传月，郑红霞. MSC. Fatigue 疲劳分析应用与实例 [M]. 北 京：科学技术出版社，2005：15-16. □ (收稿

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