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支架掩护梁结构有限元分析及改进

发布于:2018-04-19 19:55
有限元分析

       三角区掩护支架与回撤端头支架配合使用,是对回撤端头三角区顶板实现机械化支护的重要设备。液压支架的掩护梁是掩护采面工作空间密封隔离采空区的重要梁体,它与底座、前后连杆形成四连杆结构,控制顶梁前段的运动轨迹,保证支架运动的稳定性。掩护梁结构强度直接关系到液压支架的支护性能,因而掩护梁结构优化设计对液压支架设计起着至关重要的作用。根据矿方要求及工作阻力合理设计四连杆参数,控制顶梁前端的运动轨迹,设计ZZ9000/20/40型掩护式液压支架。支架主要技术参数支架架型四柱支撑掩护式支架工作阻力、支架初撑力、支架高度、支架宽度、支护强度、支架操纵方式本架手动/无线遥控/本架电液控制。
       根据液压支架的总体设计,设计掩护梁结构如图所示。利用Solidworks建立掩护梁结构件三维模型,对其结构简化,去掉对强度计算结果影响不大的倒角,用于吊装的吊环、吊环扣,以便减小有限元计算规模,这些简化工作在建模时完成。Cosmosworks是一种基于结构离散化的有限元分析App,是Solidworks的插入式分析App,分析的模型和结果与Solidworks共享一个数据库,而在Solidworks中建模便捷、高效,设计与分析数据没有繁琐的双向转化操作。在Solidworks环境下建立掩护梁模型,这里进行整体建模,不必把零件拆散分别处理,对掩护梁结构采用自顶向下的整体建模方式建模,避免了复杂的装配分析,结构相对装配体简化,能更好地模拟真实情况,结果更加精确,建立的掩护梁结构件模型。
       掩护梁是传力构件,不直接受载,这里旨在分析其结构合理性,本研究分2种情况进行加载:(1)顶板受冲击载荷情况三角区漏研石的情况时有发生,掩护梁顶板要承受冲击载荷。固定两端连接耳处,划分网格,将掩护梁实体剖分成相对小的有限单元,FEA求解器通过对单个单元的简单解综合成对整个模型的解。在划分网格时,由于采用了整体建模,避免了装配体间的缝隙,设定雅各宾式检查为“4点”,“网格品质”栏中选择“高”。经过运算获得应力云图。由图可看出,顶板受力后,应力明显增加,主肋板弯曲处应力集中。(2)扭转工况在液压支架顶梁承受偏载时,掩护梁承受因顶梁偏载作用而引起的扭转载荷。固定掩护梁和连杆连接处,以便与顶梁连接轴为轴对掩护梁实施扭转。根据实际工作阻力计算符合实际的扭矩,得到扭转工况的应力云图。
       从图可看出,连接耳、主肋板弯曲处应力集中。掩护梁主肋板弯曲处应力明显增加,在受冲击载荷工况和扭转工况,连接耳处、主肋板弯曲处应力集中。优化掩护梁结构,为改善主肋板处扭转工况应力集中情况,改进主肋板为平直的肋板,在主肋板外侧加箱形结构,满足掩护梁结构强度设计,通过改变主肋板的设计结构改善掩护梁整体结构强度。图为改进后的掩护梁结构示意图。建立改进后掩护梁的整体三维模型,施加与之前相同的载荷,分析其受冲击载荷工况和扭转工况,得到应力云图。由图可看出,改进后的掩护梁结构在承受冲击载荷时,顶板受冲击,应力增加,考虑到掩护梁结构强度设计,顶板箱形结构满足结构强度设计。在掩护梁承受扭转时,主肋板应力有明显改善,掩护梁整体受力,在连接耳处没有明显的应力集中部位,改进了掩护梁主肋直接受扭转的工况,提高了掩护梁的整体强度。目前该液压支架在神华集团多个工作面使用,成功回撤综采液压支架多套,使用状况良好。三角区液压支架代替了部分木垛,有效地减少了木垛和圆木的使用量,提高了工效和工作面搬家速度,社会效益显著。
       利用CosmosworksApp对三角区掩护支架的掩护梁进行有限元分析,对掩护梁主要结构进行改进,并对比2种结构在受冲击工况和扭转工况的应力集中情况,并对其进行分析。得出结论,在掩护梁承受载荷时,掩护梁的主肋板尽可能使其整体受载,避免连接耳处的应力集中,可通过改进主肋板、加侧板、增加箱形结构的方式满足强度设计要求,从而改善掩护梁在受扭转时连接耳处的应力集中情况,为掩护梁设计提供依据。


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