ZY6400_21_45型...架掩护梁强度分析与优化研究_许晓明.pdf

ZY6400/21/45 型液压支架掩护梁强度分析与优化研究许晓明（山西铺龙湾煤业有限公司，山西大同037100）摘要：基于 ZY6400/21/45 型液压支架掩护梁结构存在的受力薄弱点，合理提出三种液压支架掩护梁优化方案，并在验证各优化方案有效性的基础上，分别开展有限元分析验证，由此获取最佳优化方案，最后将最佳优化方案应用于工程实践。关键词：液压支架；掩护梁；强度分析；优化方案中图分类号：TD355.4文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0142-020引言掩护梁作为掩护式液压支架主要受力构件之一，由于其工作环境极为复杂，使得其在应用中可能会承受多个方向的复杂应力影响，使得掩护梁的受力状态极为恶劣，极易出现掩护梁耳板开裂等故障问题。据此，本文将基于有限元分析方法，以 ZY6400/21/45 型液压支架为例，分析掩护梁在扭转载荷工况和偏心载荷工况下强度性能，进而获取到最佳优化方案，旨在为后续液压支架掩护梁结构优化提供方案参考。1ZY6400/21/45 型液压支架掩护梁优化方案结合实际情况来看，由于复杂工作环境的影响，ZY6400/21/45 型液压支架掩护梁极易出现掩护梁前端耳板附近开裂等故障问题。为保障液压支架的持续稳定运行，提高液压支架综合性能，本文将针对液压支架掩护梁前端耳板附近开裂问题，通过力学分析计算，合理提出以下三种优化方案（见图 1）：优化方案一，在液压支架掩护梁两块竖筋板之间、靠近腹板区域添加一块横隔钢板；优化方案二，在液压支架掩护梁与顶梁连接处箱体内部添加两块斜筋板；优化方案三，在液压支架掩护梁上既添加横隔钢板，又添加斜筋板，即将优化方案一和优化方案二相结合。为确定不同优化方案下的液压支架掩护梁强度性能，研究中将会根据国家现行标准对三种液压支架优化结构进行有限元分析对比，进而获取到最佳结构优化方案。2ZY6400/21/45 型液压支架掩护梁强度有限元模型构建在有限元模型构建前，需要构建 ZY6400/21/45型液压支架三维几何模型，并将模型导入有限元分析软件，通过有限元分析软件为液压支架主体结构设置材料属性和实施网格划分。其中材料属性设置过程就是根据液压支架主体材料特点，合理选择一种综合性能相类似的材料，最终选用有限元软件中的 Q460 材料，此种材料的弹性模量、材料密度、泊松比以及屈服强度性能分别为 210 GPa、7.85 kg/m3、0.3、460 MPa；网格划分则是根据液压支架箱体结构特点，合理选择四面体单元网格进行划分，并为每个单元合理设置大小参数，即 50 mm，最终为整个液压支架划分出 32 个网格单元。最后，为模型设置仿真试验载荷和载荷作用方向，分别为 7 680 kN 和沿立柱轴线方向。3ZY6400/21/45 型液压支架掩护梁强度有限元模型分析3.1顶梁扭转载荷工况如图 2 所示，在顶梁扭转载荷工况下，优化前的液压支架掩护梁所承受最大应力值为 398 MPa，最大应力点集中在掩护梁中部区域。如下页图 3 所示，在顶梁扭转载荷工况下，优化方案一的液压支架掩护梁所承受最大应力值为 362 MPa，最大应力点集中在掩护梁中部区域。相较于优化前的掩护梁最大应力来说，优化方案一中的掩护梁最大应力得到一定改善。如下页图 4 所示，在顶梁扭转载荷工况下，优化收稿日期：2022-08-08作者简介：许晓明（1986），男，山西大同人，毕业于辽宁科技大学采矿工程专业，本科，助理工程师，研究方向为采矿工程。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.0571-1优化方案一1-2优化方案二1-3优化方案三图 1三种液压支架掩护梁优化方案示意图图 2优化前的液压支架掩护梁应力分布54349745240736231627122618113590451von Mises（N/m2）屈服力：465优化改造2023 年第 6 期方案二的液压支架掩护梁所承受最大应力值为 376MPa，最大应力点集中在掩护梁中部区域。相较于优化前的掩护梁最大应力来说，优化方案二中的掩护梁最大应力得到一定改善，但相对来说仍然是优化方案一更具优势。如图 5 所示，在顶梁扭转载荷工况下，优化方案三的液压支架掩护梁所承受最大应力值为 351 MPa，最大应力点集中在掩护梁中部区域。相较于优化前的掩护梁最大应力来说，优化方案三中的掩护梁最大应力得到较大幅度改善，并且相较于优化方案一和优化方案二来说，优化方案三更具优势，即在三种优化方案中，优化方案三为顶梁扭转载荷工况下的最佳掩护梁优化方案。总体来说，在顶梁扭转载荷工况下，三种优化方案相较于优化前液压支架掩护梁来说均有着不同程度上的受力优化效果，并且三种优化方案的实际受力优化效果由高到低分别为优化方案三、优化方案一、优化方案二。由此可见，在顶梁扭转载荷工况下，液压支架掩护梁最佳的优化方案为优化方案三。3.2顶梁偏心载荷工况顶梁偏心载荷工况下的液压支架掩护梁有限元分析过程与顶梁扭转载荷工况下液压支架掩护梁有限元分析过程大致相同。在顶梁偏心载荷工况下，优化前的液压支架掩护梁所承受最大应力值为 451 MPa，最大应力点集中在掩护梁中部偏下区域。在顶梁偏心载荷工况下，优化方案一的液压支架掩护梁所承受最大应力值为 391 MPa，最大应力点集中在掩护梁中部偏右区域。相较于优化前的掩护梁最大应力来说，优化方案一中的掩护梁最大应力得到一定改善。在顶梁偏心载荷工况下，优化方案二的液压支架掩护梁所承受最大应力值为 428 MPa，最大应力点集中在掩护梁中部偏右区域。相较于优化前的掩护梁最大应力来说，优化方案二中的掩护梁最大应力得到一定改善，但相对来说仍然是优化方案一更具优势。在顶梁偏心载荷工况下，优化方案三的液压支架掩护梁所承受最大应力值为 367 MPa，最大应力点集中在掩护梁中部偏右区域。相较于优化前的掩护梁最大应力来说，优化方案三中的掩护梁最大应力得到较大幅度改善，并且相较于优化方案一和优化方案二来说，优化方案三更具优势，即在三种优化方案中，优化方案三为顶梁偏心载荷工况下的最佳掩护梁优化方案。总体来说，在顶梁偏心载荷工况下，三种优化方案相较于优化前液压支架掩护梁来说均有着不同程度上的受力优化效果，并且三种优化方案的实际受力优化效果由高到低分别为优化方案三、优化方案一、优化方案二。由此可见，在顶梁偏心载荷工况下，液压支架掩护梁最佳的优化方案为优化方案三。4液压支架掩护梁实践应用液压支架掩护梁最佳优化方案为优化方案三，此种方案不仅可以有效改善液压支架掩护梁实际受力情况，而且在三种优化方案中最具优势。但考虑到有限元分析过程较为理想化，难以对液压支架具体工作情况进行完全模拟，所以还需要开展工程应用分析来对优化方案实施进一步验证。在为期 6 个月的应用实践后发现，相较于现有液压支架掩护梁结构来说，本文所提出的液压支架掩护梁优化方案可有效缓解液压支架耳板碎裂等故障问题，延长液压支架的整体使用寿命，而且还可以增加液压支架受力分布效果，避免液压支架受力过于集中所引发的倒架等安全风险，进而综合提高液压支架的应用性能，值得在后续液压支架掩护梁结构优化中进行参考应用。5结语基于现有液压支架掩护梁应用时存在的故障问题，本文提出三种液压支架优化方案，并通过有限元分析方法分别对现有掩护梁结构和图 3优化方案一的液压支架掩护梁应力分布图 4优化方案二的液压支架掩护梁应力分布图 5优化方案三的液压支架掩护梁应力分布54349745240736231627122618113590451von Mises（N/m2）屈服力：46550646442237933729525921116812684423.8von Mises（N/m2）屈服力：46550646442237933729525921116812684423.8von Mises（N/m2）屈服力：465（下转第 146 页）许晓明：ZY6400/21/45 型液压支架掩护梁强度分析与优化研究143机械管理开发第 38 卷矩时间为 13s，结果符合安全制动要求，优化效果明显。4结论1）通过对带式输送机安全制动器的不同优化设计方案进行分析比较，得到使用专用蓄能器以及二位换向阀的方案会优于其他方案；2）使用优化方案在某煤矿实际应用表明，在启动和停车两种工况下优化后的安全制动器优化效果明显，能够达到实际应用要求。参考文献1朱履贝.带式输送机运输系统的安全控制研究J.机械管理开发，2021，36（4）：50-52.2荣和芳.煤矿带式输送机安全保护装置安装及检验方式J.煤矿开采，2013，18（1）：33-35.3王新伟，郭冬梅.盘式制动器在带式输送机上的应用J.起重运输机械，2005（11）：66-67.4戴建立.煤矿带式输送机液力制动技术的研究C/中国煤炭学会.中国煤炭新兴工业化之路安全，高效的集约化生产技术与装备研讨会.上海：煤炭科学研究总院上海分院，2005：35-38.5李辉，赵娟，刘廷明.带式输送机张紧保护装置的研究设计J.煤炭工程，2007（5）：102-103.6陈之林.大功率倾斜下运带式输送机的设计计算与安全制动研究J.矿山机械，2011，39（6）：73-76.7沈树国，孙益.井下带式输送机综合保护控制装置J.煤炭技术，2002（8）：20-21.8姜满中.带式输送机盘式制动器的设计安装分析J.煤矿机械，2011，32（12）：18-20.9吴向凡，尹作振.带式输送机盘式制动器转速测量研究J.矿山机械，2012，40（9）：59-61.10王涛.矿用下运带式输送机制动装置的改进C/中国煤炭学会.煤矿机电一体化新技术学术会议论文集.北京：中国煤炭学会，2010：119-120.（编辑：李俊慧）图 5系统停车制动时带式输送机速度、系统压力Safety Brake Research Based on a Belt ConveyorLiu Yi（Shanxi Linfen Xishan Energy Co.,Ltd,Linfen Shanxi 041000）Abstract:Insufficient precise configuration of the power of the belt conveyor mechanism will not only affect the safety of the wholemachine,but also reduce the efficiency of the whole machine.Based on this,the existing belt conveyor is used as a research object,on thebasis of which it is upgraded using schemes with different characteristics in order to achieve matching control optimization,after which thebest choice is made among them.The precise control of the braking force requires a further upgrade of the braking system.The hydrauliccomponents in the belt conveyor are selected according to the needs of the user in order to achieve the upgrade.Key words:belt conveyor;safety brake;precision configuration2.51.30.011：15：4711：16：1711：16：47时刻速度/（m s-1）系统压力/MPa22.515.07.50.011：15：4711：16：1711：16：47时刻5-1速度5-2系统压力三种优化方案进行仿真分析，确认三种优化方案均具有一定的受力优化效果，但其中优化方案三更具优势，所以在具体液压支架掩护梁结构优化时，应优先选用优化方案三进行结构优化，如此不仅可以提高液压支架掩护梁受力性能，还能够保障液压支架整体强度，提高液压支架的使用安全性。（编辑：李俊慧）Strength Analysis and Optimization Study of ZY6400/21/45 Hydraulic Bracket Cover BeamXu Xiaoming（Shanxi Pulongwan Coal Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037100）Abstract:Based on the weak points in the structure of ZY6400/21/45 hydraulic bracket cover beam,three optimization schemes ofhydraulic bracket cover beam are reasonably proposed,and on the basis of verifying the validity of each optimization scheme,finite elementanalysis is carried out to verify them respectively,and the best optimization scheme is obtained from them,and finally the best optimizationscheme is applied to engineering practice.Key words:hydraulic bracket;cover beam;strength analysis;optimisation scheme（上接第 143 页）146