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液压支架掩护梁的强度有限元分析及优化

发布于:2020-11-16 18:51
有限元分析

      掩护梁是二柱掩护式液压支架的主要受力件之一,在液压支架的工作中起着非常重要的作用。由于掩护梁要与顶梁、连杆及千斤顶等部件相连,在液压支架各部件中处于最复杂、最恶劣的受力状况。本文利用有限元分析法,将不同结构的掩护梁对其变形和应力的影响做对比分析,探讨不同结构下掩护梁受力状况及改善的途径。
     液压支架的掩护梁在实际使用中,曾出现掩护梁前端的耳板附近开裂等危险状况。根据 GB25974.1-2010《煤矿用液压支架第一部分:通用技术条件》,采用SolidWorks结合simulationApp,对液压支架进行整架强度有限元分析。
     液压支架的强度试验是模拟井下各种危险工况,如顶梁两端载荷和底座两端载荷,顶梁扭转和底座两端载荷,顶梁偏载和底座两端载荷,顶梁中部载架的设计和制造质量检验的重要方式。
     对于二柱掩护式液压支架,掩护梁在顶梁扭转和底座两端集中载荷工况下受力最大而容易损坏。笔者选取该工况进行有限元分析。GB25974.1-2010规定的工况加载时垫块位置如图所示,试验压力为1.2倍工作压力,支架高度为最大高度减去行程的1/3。
      原掩护梁的箱体结构如图所示。由于掩护梁的损坏大多出现在掩护梁前端的耳板附近,为了最大程度改善耳板附近的受力,通过多次力学分析计算,分别选择在掩护梁两个主肋板之间靠近腹板的位置添加1块钢板、在与顶梁连接处的箱体内添加块斜肋板及既添加横板又添加2块斜肋板的组合结构。按照国家标准,对这3种结构的掩护梁进行应力有限元对比分析,以确定最佳结构,改善掩护梁的力学性能。
      建立了掩护梁结构优化前后的4种数学模型及液压支架整体模型,完成顶梁扭转加载+底座两端加载工况下的强度有限元计算。通过分析比较不同结构的掩护梁对其应力的影响,为优化掩护梁箱体结构,提高其力学性能提供依据。
      (1) 建立模型液压支架模型如图所示,该模型需要进行简化才能用于有根据 GB25974.1-2010,对设计模型进行简化。每个构件都去除不承载的结构和不影响主体强度与应力的细小结构,如倒角、圆角及小孔等,除非焊缝处出现应力集中的现象,否则主体构件的焊缝不建模。试验采用内加载方式,因此立柱不需建立模型,而用载荷进行替代。
      分别将优化前后的4种掩护梁结构与其他主要构件装配成4个装配体,液压支架高度H=4500-(4500-2100)/3=3700 mm。
      (2) 加载试验采用内加载的方式,载荷为6400×1.2=7680 kN,载荷施加在柱窝的球面上,力的作用线沿立柱的轴线方向。
      结果分析强度分析显示,结构优化后的掩护梁最大应力均有所减小,受力得到改善,其中效果最显著的结构为添加横隔板及斜肋板组合。在此仅对这种最优结构和原结构的应力进行比较,优化前、后的液压支架整机和掩护梁应力云图。
      由图可以看出,掩护梁的最大应力为497 MPa,出现在掩护梁耳板附近。由图可以看出,掩护梁的最大应力为442 MPa,最容易发生损坏的耳板处的应力降至415 MPa,有效地提高了掩护梁的强度。
      对掩护梁结构进行优化后,最大应力值减少了11%,现场实际使用效果良好,为提高掩护梁的力学性能提供了依据。


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