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液壓支架掩護梁的強度有限元分析及優化

發布於:2020-11-16 18:51
有限元分析

      掩護梁是二柱掩護式液壓支架的主要受力件之一,在液壓支架的工作中起著非常重要的作用。由於掩護梁要與頂梁、連杆及千斤頂等部件相連,在液壓支架各部件中處於最複雜、最惡劣的受力狀況。本文利用有限元分析法,將不同結構的掩護梁對其變形和應力的影響做對比分析,探討不同結構下掩護梁受力狀況及改善的途徑。
     液壓支架的掩護梁在實際使用中,曾出現掩護梁前端的耳板附近開裂等危險狀況。根據 GB25974.1-2010《煤礦用液壓支架第一部分:通用技術條件》,采用SolidWorks結合simulation軟件,對液壓支架進行整架強度有限元分析。
     液壓支架的強度試驗是模擬井下各種危險工況,如頂梁兩端載荷和底座兩端載荷,頂梁扭轉和底座兩端載荷,頂梁偏載和底座兩端載荷,頂梁中部載架的設計和製造質量檢驗的重要方式。
     對於二柱掩護式液壓支架,掩護梁在頂梁扭轉和底座兩端集中載荷工況下受力最大而容易損壞。筆者選取該工況進行有限元分析。GB25974.1-2010規定的工況加載時墊塊位置如圖所示,試驗壓力為1.2倍工作壓力,支架高度為最大高度減去行程的1/3。
      原掩護梁的箱體結構如圖所示。由於掩護梁的損壞大多出現在掩護梁前端的耳板附近,為了最大程度改善耳板附近的受力,通過多次力學分析計算,分別選擇在掩護梁兩個主肋板之間靠近腹板的位置添加1塊鋼板、在與頂梁連接處的箱體內添加塊斜肋板及既添加橫板又添加2塊斜肋板的組合結構。按照國家標準,對這3種結構的掩護梁進行應力有限元對比分析,以確定最佳結構,改善掩護梁的力學性能。
      建立了掩護梁結構優化前後的4種數學模型及液壓支架整體模型,完成頂梁扭轉加載+底座兩端加載工況下的強度有限元計算。通過分析比較不同結構的掩護梁對其應力的影響,為優化掩護梁箱體結構,提高其力學性能提供依據。
      (1) 建立模型液壓支架模型如圖所示,該模型需要進行簡化才能用於有根據 GB25974.1-2010,對設計模型進行簡化。每個構件都去除不承載的結構和不影響主體強度與應力的細小結構,如倒角、圓角及小孔等,除非焊縫處出現應力集中的現象,否則主體構件的焊縫不建模。試驗采用內加載方式,因此立柱不需建立模型,而用載荷進行替代。
      分別將優化前後的4種掩護梁結構與其他主要構件裝配成4個裝配體,液壓支架高度H=4500-(4500-2100)/3=3700 mm。
      (2) 加載試驗采用內加載的方式,載荷為6400×1.2=7680 kN,載荷施加在柱窩的球麵上,力的作用線沿立柱的軸線方向。
      結果分析強度分析顯示,結構優化後的掩護梁最大應力均有所減小,受力得到改善,其中效果最顯著的結構為添加橫隔板及斜肋板組合。在此僅對這種最優結構和原結構的應力進行比較,優化前、後的液壓支架整機和掩護梁應力雲圖。
      由圖可以看出,掩護梁的最大應力為497 MPa,出現在掩護梁耳板附近。由圖可以看出,掩護梁的最大應力為442 MPa,最容易發生損壞的耳板處的應力降至415 MPa,有效地提高了掩護梁的強度。
      對掩護梁結構進行優化後,最大應力值減少了11%,現場實際使用效果良好,為提高掩護梁的力學性能提供了依據。


                                                                                  專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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