液壓支架推移桿的力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計

李瑞杰,郭武增,楊元凱

(鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司,河南鄭州 450013)

液壓支架推移桿的力學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計

李瑞杰,郭武增,楊元凱

(鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司,河南鄭州 450013)

對推移桿進(jìn)行力學(xué)分析和強(qiáng)度分析,采用合理的簡化,盡可能減少優(yōu)化設(shè)計中函數(shù)變量個數(shù),得出結(jié)論并進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化驗證,使推移桿截面最小化而承受載荷最大化,保證了井下高產(chǎn)高效工作面液壓支架推移桿的可靠性,實現(xiàn)了材料的優(yōu)化選取。

推移桿;液壓支架;力學(xué)分析;優(yōu)化設(shè)計

液壓支架推移機(jī)構(gòu)的受力主要包括推移千斤頂?shù)睦瓑毫?、抬底千斤頂?shù)奶У琢凸伟遢斔蜋C(jī)下滑所引起的側(cè)向力,以上 3種外力作用于不同方向。推移機(jī)構(gòu)的主要受力部件是推移桿,推移桿在井下復(fù)雜地質(zhì)條件下很難與工作面底板平面接觸,大部分工況是受到前、后約束而中部懸空,受力工況非常復(fù)雜。

1 推移桿力學(xué)模型及強(qiáng)度分析

推移桿受力如圖 1。

圖1 推移桿受力

推移桿在井下受 F2,F3,F4三種力同時作用的幾率極小,因為拉架狀態(tài)下推移桿前端導(dǎo)向板未進(jìn)入底座內(nèi)主筋限位,其推移桿受側(cè)向力較小,僅限于移架偏移所受摩擦力。靜載荷分析時,由于推溜力遠(yuǎn)小于拉架力,不需強(qiáng)度校核,只考慮拉架力即可,拉架狀態(tài)推移桿受力最大。根據(jù)推移桿使用工況,在拉架狀態(tài)下,取推移桿前端為固定鉸支座,其余約束全部為活動鉸支座。

圖2 推移桿截面一

目前推移桿設(shè)計結(jié)構(gòu)普遍為二箱型結(jié)構(gòu)件,見圖 2、圖 3,大部分推移桿通常為等截面,一小部分在推移桿前端或后端截面變小,但為等強(qiáng)度設(shè)計型式。推移桿截面分別由面積為 A1,A2,A3,A4,A5五塊板組成,板 A5除了承受彎曲和拉壓外,主要是增加抬底時板A3的承載剛性。目前國內(nèi)外推移桿設(shè)計時,同一截面普遍采用A1=A2,A3=A4,即兩立板的厚度相同,上、下腹板厚度相同,但布置結(jié)構(gòu)型式有2種。

1.1 推移桿強(qiáng)度分析

圖3 推移桿截面二

1.1.1 拉架狀態(tài)推移桿受拉應(yīng)力

推移桿純拉力 F4x=F4cosα4

式中,F4為推移千斤頂?shù)睦芰?α4為推移千斤頂與水平推移桿的夾角,α4為變值,取值為 3～6°,計算時取實際最大值。

推移桿截面一截面積A:

推移桿截面二截面積A:

推移桿拉應(yīng)力為:

式中,σ1為推移桿純受拉狀態(tài)拉應(yīng)力。

1.1.2 拉架狀態(tài)推移桿抬底純受彎曲應(yīng)力

推移桿長度1/2處彎距最大,對X軸截面一慣性距:

對 X軸截面二慣性距:

推移桿的最大彎距 (長度 1/2處):

推移桿上下表面最大彎應(yīng)力:

推移桿長度 1/2處剪應(yīng)力:

1.1.3 推溜狀態(tài)推移桿全伸時側(cè)向力純受彎應(yīng)力

當(dāng)推移桿前端作用 F2力時,推移桿前端距抬底導(dǎo)軌前沿距離 L11處所受彎距最大,由于抬底導(dǎo)軌前沿距中心線較近取L11≈。

對 Y軸截面一慣性距:

對 Y軸截面二慣性距:

推移桿最大彎距近似值 (長度 1/2處):

推移桿左右側(cè)面最大彎應(yīng)力近似值:

如前面所述,推移機(jī)構(gòu)推移桿伸出全行程側(cè)向力很小,目前國外標(biāo)準(zhǔn)移架側(cè)向力只按 100kN考慮,如果考慮推移桿全伸出時側(cè)向力為推移力的1/2時,加在移架力系中校核推移桿強(qiáng)度是不合理的。對推移機(jī)構(gòu)強(qiáng)度校核,分開工況校核是合理的,2種工況分別滿足強(qiáng)度要求即可。

(1)推移裝置拉架狀態(tài)推移桿等效應(yīng)力:

拉架狀態(tài)下可不考慮推移桿的側(cè)向力,如果考慮,因側(cè)向力 F2較小,取 100kN。

推移桿截面最大拉應(yīng)力為:σ1+σ2+σ′3

式中,σ′3為側(cè)向力 100kN時的拉壓應(yīng)力。

則推移桿截面尖角處的等效最大應(yīng)力為:

推移桿安全系數(shù):

(2)推移裝置全伸出受 1/2推溜力時推移桿應(yīng)力:

推移桿安全系數(shù):

式 (5), (6)中,[σ]為材料的許用屈服應(yīng)力。目前所選板材分別為 Q345,Q460,Q550, Q690,Q890。對高產(chǎn)高效工作面大工作阻力大配套支架,推移桿選材普遍為Q690和Q890。[σ]取690MPa和 890MPa。

為了保證推移桿的可靠性,n1取值 1.4～2,n2取值大于 2。根據(jù)目前推移機(jī)構(gòu)與底座配合結(jié)構(gòu)及井下使用功能,推移桿伸出狀態(tài)不可能受到 1/2推溜力,推移桿優(yōu)化設(shè)計時可以不考慮此工況,只要滿足 n1的安全系數(shù),推移桿設(shè)計是安全的。

2 推移桿的優(yōu)化設(shè)計

通過以上力學(xué)分析和強(qiáng)度分析,采用合理地簡化,盡可能地減少優(yōu)化設(shè)計中函數(shù)變量個數(shù)。液壓支架推移機(jī)構(gòu)推移桿設(shè)計過程中,F2從試驗標(biāo)準(zhǔn)中取值,100kN至 1/2的推溜力,優(yōu)化設(shè)計中取 F2=100kN。

F3根據(jù)支架重量和底座扎底情況給定,目前抬底千斤頂常用的缸徑為 <110mm,<125mm和<140mm,其額定抬底力分別取 299kN,386kN, 484kN。

F4根據(jù)支架重量和底板狀況給定,一般給定拉架力是支架重量的 2～3倍。目前推移千斤頂常用的缸徑分別為 <140mm,<150mm,<160mm, <180mm,<200mm,其額定拉架力分別取 484kN, 556kN,633kN,801kN,989kN。

α4根據(jù)推移千斤頂?shù)牟贾萌≈?α4通常在 3～6°內(nèi)取值,優(yōu)化設(shè)計時可取其大值。

B5在推移機(jī)構(gòu)設(shè)計時給定,與支架中心距、立柱缸徑有關(guān),在支架中心距 1.75m時,取值在 180～250mm。

L與支架配套、推移步距、推移千斤頂布置有關(guān),設(shè)計時推移桿長度已給定。

優(yōu)化設(shè)計時,推移桿高度 H2為目標(biāo)函數(shù),其設(shè)計變量分別為δ1,δ2,δ3和 [σ]。其中,δ3一般取值16mm或20mm,可作為給定值。

因此,設(shè)計變量 x=[δ1,δ2,[σ]]

高產(chǎn)高效液壓支架推移桿設(shè)計,當(dāng) H2< 150mm時,[σ]取 890MPa;當(dāng) H2≥150mm時, [σ]取 690MPa或 890MPa。

標(biāo)準(zhǔn)提供的板材厚度是固定的,推移機(jī)構(gòu)推桿設(shè)計時所選板材δ1取值為 16mm,20mm,25mm, 30mm;δ2取值為 12mm,16mm,20mm,25mm, 30mm。確定了δ1,δ2的取值范圍,求取目標(biāo)函數(shù)。

其中,1.4≤C≤2

3 ZY10800/28/63推移桿強(qiáng)度分析及優(yōu)化驗證

ZY10800/28/63支架工作阻力 10800kN,最大采高 6.3m,支架中心距 1.75m,支架重量 42t。輸送機(jī)分別為艾柯夫 SL1000和 joyAFC-48。

參數(shù)取值為:F2:100kN和 251kN;F3: 485kN;α4: 5°; F4x: 985kN;B5: 180mm;L: 3367mm;δ3:20mm;[σ]:890MPa;δ1:25mm; δ2:25mm;H2:170mm。

計算結(jié)果如下:

推移桿截面積:S=14150mm2;

推移桿純拉應(yīng)力:σ1=69.6MPa;

推移桿截面對 X軸慣性距:

推移桿受抬底力上下表面彎應(yīng)力:

推移桿受抬底力狀態(tài)時的切應(yīng)力:τ=34MPa;

推移桿對 Y軸截面慣性距:JY=60658000mm4;

推移桿受 1/2推溜力的側(cè)向力時的最大應(yīng)力: σ3=313MPa;

推移桿受 100kN的側(cè)向力最大應(yīng)力:σ3= 12.4MPa;

推移桿拉架時,推移抬底同時作用最大正應(yīng)力為:σ1+σ2=617.6MPa;

推移桿拉架狀態(tài)的最大等效應(yīng)力:F2=100kN時,σr=537.4MPa;

推移桿拉架狀態(tài)安全系數(shù):n1=1.41;

推移桿全伸出承載 1/2推溜力的安全系數(shù):n2=2.84。

根據(jù)以上計算分析,ZY10800/28/63支架推移桿優(yōu)化合理,倒裝整體推桿結(jié)構(gòu)性能可靠。

4 結(jié)束語

通過分析、研究和優(yōu)化設(shè)計,使推移桿截面最小化,而承受載荷最大化,在保證井下高產(chǎn)高效工作面液壓支架推移桿可靠性前提下,實現(xiàn)材料的優(yōu)化選取。

[1]王國法,等 .液壓支架技術(shù) [M].北京:煤炭工業(yè)出版社, 1999.

[2]趙宏珠 .綜采面礦壓與液壓支架設(shè)計 [M].徐州:中國礦業(yè)學(xué)院出版社,1987.

[3]朱詩順 .液壓支架結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化設(shè)計的理論、方法及應(yīng)用的研究 [D].北京:中國礦業(yè)大學(xué) (北京),1994.

[4]韓大中.液壓支架空間力系優(yōu)化設(shè)計及 CAD[M].西安:西安礦業(yè)學(xué)院出版社,1996.

[5]MT/T169-1996液壓支架型式與參數(shù) [S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1997.

[責(zé)任編輯:張銀亮]

M echan ics Analysis and Optim ized Design of Process-oriented Bar in Powered Support

L IRui-jie,GUO Wu-zeng,YANG Yuan-kai

(Zhengzhou CoalMachinery Group Co.,Ltd,Zhengzhou 450013,China)

This papermade mechanical and strength analysis on process-oriented bar and ult imately reduced variable number in optimization design by rational simplification.Optimized result made the cross-section of process-oriented bar minimum and bearing load maximum,which ensured stability of process-oriented bar of powered support formining face with high production and high efficiency and realized optimized material selection.

process-oriented bar;powered support;mechanical analysis;opt imization design

TD355.41

A

1006-6225(2010)03-0082-03

2010-02-28

李瑞杰 (1971-),女,河南鄭州人,工程師,主要從事煤礦機(jī)械設(shè)計研究。