基于虛擬樣機的大傾角液壓支架試驗臺受力分析

黃 琳

大連華銳重工集團股份有限公司 遼寧大連 116013

急傾斜煤層的高產(chǎn)高效機械化開采一直是采煤行業(yè)的技術(shù)難題。由于煤層賦存條件的特殊性，給安全、高效開采帶來了諸多困難[1-2]。隨著開采技術(shù)的提高及采掘機械的不斷涌現(xiàn)[3]，特別是大傾角放頂煤液壓支架的研制成功，大大促進了大傾角煤層綜采技術(shù)的發(fā)展[4-6]。大傾角液壓支架同一般的液壓支架的主要區(qū)別在于增加了防倒、防滑、底調(diào)等機構(gòu)[7-9]。因此，在滿足液壓支架通用技術(shù)條件要求之外，還要對大傾角液壓支架的防倒、防滑、底調(diào)等機構(gòu)進行測試，其關(guān)鍵是合理地模擬現(xiàn)實液壓支架對不同角度煤層的支撐情況，達到液壓支架的使用要求。筆者采用虛擬樣機模擬及有限元分析方法，對大傾角液壓試驗臺在帶載情況下旋轉(zhuǎn)過程中的整體受力進行分析，得到試驗臺各個部件的受力分布，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)。

1 大傾角液壓支架試驗臺基本結(jié)構(gòu)

大傾角液壓支架試驗臺由活動梁、外加載梁、滾圈、架體、托輥、托輥二級平衡梁、底梁、一級平衡梁、驅(qū)動裝置等部分組成，如圖 1 所示。在試驗過程中，根據(jù)不同的型式試驗要求，架體可隨滾圈在托輥裝置上轉(zhuǎn)動。驅(qū)動裝置通過齒輪傳動帶動滾圈旋轉(zhuǎn)，活動梁和外加載梁可在架體上下滑動，以調(diào)整支護高度?；顒恿骸⑼饧虞d梁、滾圈、架體、底梁等上部旋轉(zhuǎn)部件在旋轉(zhuǎn)過程中所需的合成阻力矩

式中：Gi為重心變化部分結(jié)構(gòu)的重力，kN；Xi為重心變化部件的重心相對于滾圈中心點的距離，m；Gj為重心固定部分結(jié)構(gòu)的重力，kN；Xj為重心固定部件的重心相對于滾圈中心點的距離，m；Mf為負載摩擦阻力矩，kN·m。

圖1 大傾角液壓支架試驗臺Fig.1 Test bench for large-obliquity hydraulic support

在空載狀態(tài)下，活動梁高度變化對旋轉(zhuǎn)合成阻力矩的影響如表 1 所列。隨著活動梁高度的逐漸升高，所需的旋轉(zhuǎn)合成阻力矩逐漸降低，因此在空載狀態(tài)下，對旋轉(zhuǎn)工況最不利的情況為活動梁處在最低位。

在液壓支架的大傾角試驗工況，將 3 個 60 t 液壓支架并排置于試驗臺底梁與外加載梁之間，試驗臺活動梁高度調(diào)整到液壓支架最大高度的 4/5，試驗臺轉(zhuǎn)至設(shè)計的最大使用角度，此時對旋轉(zhuǎn)合成阻力矩影響最大。

表1 空載狀態(tài)不同活動梁高度下合成阻力矩Tab.1 Resultant resistant moment in non-load state at various height of moving beam

2 大傾角液壓支架試驗臺虛擬樣機的建立

采用 MSC.ADAMS 軟件模擬大傾角液壓支架試驗臺的工作狀態(tài)，能夠快捷、準(zhǔn)確地獲得液壓支架試驗臺各部件的受力狀態(tài)，進而能夠減少試驗臺研制時間并降低研制費用。在 MSC.ADAMS 中分別建立架體、滾圈、托輥、托輥梁、液壓支架等三維模型 (見圖 2)，并分別賦予質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等物理特性。

圖2 大傾角液壓支架試驗臺虛擬樣機Fig.2 Virtual prototype of test bench for large-obliquity hydraulic support

使用 MSC.ADAMS/View 中的約束庫創(chuàng)建部件之間的約束關(guān)系 (見表 2)，其中，試驗臺前部右側(cè) 2 個支撐托輥二級平衡梁與一級平衡梁的連接鉸點分別為 joint9 和 joint12，試驗臺后部右側(cè) 2 個支撐托輥二級平衡梁與一級平衡梁的連接鉸點分別為 joint18 和joint19。對試驗臺施加重力加速度g=9.806 m/s2及1.5°/s 的角位移，進行動力學(xué)仿真，其結(jié)果如圖 3～6所示。

表2 各部件間設(shè)立的約束副Tab.2 Constraint pair among parts

圖3 所示為同時加載 3 個液壓支架，試驗臺旋轉(zhuǎn)15°，支撐點x方向的受力狀態(tài)。試驗臺旋轉(zhuǎn)角度從0°到 15°的過程中，前部支撐托輥二級平衡梁與一級平衡梁的 2 個連接鉸點 joint9 和 joint12 在x方向的受力隨轉(zhuǎn)角的增大呈周期性變化，當(dāng) joint9 在x方向受力處于波峰時，joint12 受力處于波谷，且這 2 個鉸點的支反力在x方向始終相反，joint9 的最大支反力始終大于 joint12 的最大值；后部支撐托輥二級平衡梁與一級平衡梁的 2 個連接鉸點 joint18 和 joint19 在x方向的受力隨轉(zhuǎn)角的增大呈周期性變化，當(dāng) joint18受力處于波峰時，joint19 受力處于波谷，且這 2 個鉸點的支反力在x方向始終相反，joint18 的最大支反力始終大于 joint19 的最大值。joint18 與 joint9 變化趨勢一致，數(shù)值相差不大；joint19 與 joint12 變化趨勢一致，數(shù)值基本相同。

圖3 試驗臺旋轉(zhuǎn) 15°支撐點 x 方向受力Fig.3 Stress on supporting point along direction x while test bench rotating 15°

圖4 所示為同時加載 3 個液壓支架，試驗臺旋轉(zhuǎn)15°，支撐點沿z軸的受力狀態(tài)。試驗臺旋轉(zhuǎn)角度從0°旋轉(zhuǎn)到 15°過程中，前部支撐托輥二級平衡梁與一級平衡梁的 2 個連接鉸點 joint9 和 joint12 在z方向的受力隨旋轉(zhuǎn)角度的增大呈周期性變化，當(dāng) joint9 受力處于波峰時，joint12 受力也處于波峰，且這 2 個鉸點的支反力在z方向始終相同，joint9 的最大支反力始終大于 joint12 的最大值；后部支撐托輥二級平衡梁與一級平衡梁的 2 個連接鉸點 joint18 和 joint19 在z方向的受力隨旋轉(zhuǎn)角度的增大呈周期性變化，當(dāng) joint18受力處于波峰時，joint19 也處于波峰，且這 2 個鉸點的支反力在z方向始終相同，joint18 的最大支反力始終大于 joint19 的最大值。joint18 與 joint9 變化趨勢一致，且數(shù)值相差不大；joint19 與 joint12 變化趨勢一致，且數(shù)值基本相同。

圖4 試驗臺旋轉(zhuǎn) 15°支撐點 z 方向受力Fig.4 Stress on supporting point along direction z while test bench rotating 15°

圖5 試驗臺旋轉(zhuǎn) 45°支撐點 x 方向受力Fig.5 Stress on supporting point along direction x while test bench rotating 45°

圖6 試驗臺旋轉(zhuǎn) 45°支撐點 z 方向受力Fig.6 Stress on supporting point along direction z while test bench rotating 45°

圖5、6 分別為同時加載 3 個液壓支架，試驗臺旋轉(zhuǎn) 45°，支撐點沿x和z方向受力狀態(tài)。在試驗臺旋轉(zhuǎn)角度從 0°旋轉(zhuǎn)到 45°過程中，支撐托輥二級平衡梁鉸點的受力隨旋轉(zhuǎn)角度的增加呈周期性變化，這是由于滾圈在旋轉(zhuǎn)過程中與多組托輥接觸碰撞，使得滾圈受力不均，導(dǎo)致支撐托輥的二級平衡梁為調(diào)節(jié)托輥平衡在支撐鉸點處受力不斷變化。在 43.5°時各鉸點出現(xiàn)波峰。將所得鉸點受力結(jié)果代入有限元模型進行加載分析。

3 大傾角液壓支架試驗臺有限元分析

由于滾圈為 2 組對稱的箱形焊接結(jié)構(gòu)，內(nèi)部加肋板防止失穩(wěn)，因此采用 Shell 薄板單元來模擬滾圈結(jié)構(gòu)。滾圈外圈的外側(cè)設(shè)有 QU120 導(dǎo)軌，采用Beam188 梁單元模擬。架體由 4 柱 4 梁組成的結(jié)構(gòu)件通過立架和底梁與滾圈連接，采用 Shell63 薄板單元模擬。驅(qū)動單元與托輥采用 Mass21 質(zhì)量點及剛性區(qū)域模擬。大傾角液壓支架試驗臺有限元模型如圖 7 所示。

圖7 大傾角液壓支架試驗臺有限元模型Fig.7 Finite element model of test bench for largeobliquity hydraulic support

不同加載工況下，各個部件的綜合應(yīng)力與變形如表 3 所列。大傾角工況下旋轉(zhuǎn)角度為 0°和 43.5°，試驗臺整體應(yīng)力及變形如圖 8 所示。

根據(jù)大傾角液壓支架試驗臺不同工況下的分析，可以看出滾圈、架體最大綜合應(yīng)力及最大變形量出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)角度為 0°的工況下。滾圈最大結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力為 145.4 MPa，最大變形量在z軸方向，為 -4.1 mm；架體最大結(jié)構(gòu)綜合應(yīng)力為 138.1 MPa，最大變形量在z軸方向，為 -8.98 mm。整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為 198.6 MPa，最大變形量在z軸方向，為 -8.98 mm。結(jié)構(gòu)主要承力構(gòu)件采用 Q460C，許用應(yīng)力為 307 MPa，其變形量不影響整體使用，故結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求。

表3 大傾角液壓支架試驗臺各部分應(yīng)力及變形Tab.3 Stress and deformation of various parts of test bench for large-obliquity hydraulic support

圖8 不同角度下試驗臺整體應(yīng)力及變形云圖Fig.8 Stress and deformation contours of whole test bench with various obliquity

4 結(jié)語

對旋轉(zhuǎn)合成阻力矩數(shù)學(xué)模型進行分析，得出空載狀態(tài)下，旋轉(zhuǎn)工況合成阻力矩取決于活動梁的位置，且最不利位置為活動梁處在最低位。通過對大傾角液壓支架試驗臺的三維仿真模擬及動力學(xué)分析發(fā)現(xiàn)，由于滾圈在旋轉(zhuǎn)過程中與托輥接觸碰撞，致使支撐托輥二級平衡梁單側(cè)鉸點的受力隨旋轉(zhuǎn)角度的增加呈周期性變化，且主要承載力的方向為z向。對試驗臺各部件進行不同加載工況組合的有限元分析，得出各個部件的綜合應(yīng)力及變形值，結(jié)果表明，均小于所選材料的許用應(yīng)力值，故結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，為大傾角液壓試驗臺設(shè)計提供了理論依據(jù)。