Solidworks薄煤層液壓支架設(shè)計(jì)

2013-05-24 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

液壓支架主要用于支護(hù)采場圍巖,同時(shí)還要與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行。特別是由于采場圍巖的復(fù)雜性以及不同結(jié)構(gòu)類型液壓支架與不同類別的采場圍巖表現(xiàn)出的相互作用特性,從而導(dǎo)致液壓支架工況和特性的復(fù)雜性和隨機(jī)性。采場環(huán)境、開采方式和生產(chǎn)規(guī)模對液壓支架性能和指標(biāo)的要求不同,導(dǎo)致了液壓支架的系列和品種很多,給設(shè)計(jì)和制造帶來了一定的困難。由于薄煤層液壓支架存在支架高度低、行人空間狹小和梁體薄等結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn),因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須采用緊湊設(shè)計(jì),交叉布置才能滿足要求。

    1傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在的問題

目前薄煤層液壓支架傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法難于解決以下問題:

(1)如何避免支架設(shè)計(jì)中出現(xiàn)干涉現(xiàn)象,尤其是動(dòng)態(tài)干涉檢查問題。
(2)如何確定支架重心,尤其是動(dòng)態(tài)中的中心軌跡變化問題。重心的確定對于大傾角液壓支架設(shè)計(jì)非常重要。
     (3)支架的整體受力分析,目前仍然依靠壓架試驗(yàn)來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性,費(fèi)工費(fèi)時(shí)。如果用數(shù)字化的形式進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)實(shí)驗(yàn),不僅減少了樣機(jī)試制費(fèi)用,同時(shí)還使設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品更加符合設(shè)計(jì)要求,保證產(chǎn)品性能,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次性成功,縮短設(shè)計(jì)周期。

    2應(yīng)用Solidworks設(shè)計(jì)

    2.1設(shè)計(jì)分析

利用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件可對設(shè)計(jì)進(jìn)行分析:包括實(shí)體造型、重量核算、確定重心、干涉檢查、圖紙尺寸檢驗(yàn)、運(yùn)動(dòng)檢查等。

新建零件文件-選擇基礎(chǔ)特征命令-選擇參考面-繪制支架部件二維草圖輪廓-完成支架部件基礎(chǔ)特征的創(chuàng)建-添加支架部件其他特征-保存零件文件。

創(chuàng)建完支架所有部件模型后,開始對支架進(jìn)行裝配。在裝配環(huán)境中調(diào)人底座作為支架模型的基準(zhǔn)部件,系統(tǒng)自動(dòng)對它施加固定關(guān)系,通過面匹配、面對齊、軸對齊、聯(lián)接、角度等裝配關(guān)系,將后續(xù)調(diào)人的支架前連桿、后連桿、掩護(hù)梁、頂梁、立柱、千斤頂?shù)攘悴考来芜M(jìn)行裝配。

三維建模時(shí)需注意的幾個(gè)問題:

    (1)為節(jié)省時(shí)間和提高建模速度,各部件盡量采用單一實(shí)體方式,對于柱窩、柱帽由于形狀稍微復(fù)雜,可以考慮裝配方式。
(2)保留危險(xiǎn)部位的細(xì)小結(jié)構(gòu)。
(3)焊縫的聯(lián)接強(qiáng)度等于母材強(qiáng)度。
(4)略去工藝結(jié)構(gòu)和不影響強(qiáng)度分析的細(xì)節(jié)。
(5)立柱以及各種千斤頂?shù)幕钊透左w在總裝圖中裝配,方便進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。

用SolidWorks建立的ZY2000/07/14液壓支架底座如圖1所示,總裝圖如圖2所示。

Solidworks薄煤層液壓支架設(shè)計(jì)+學(xué)習(xí)資料圖片1

Solidworks薄煤層液壓支架設(shè)計(jì)+學(xué)習(xí)資料圖片2

完成支架所有部件的裝配后,進(jìn)行干涉檢查。在制造樣機(jī)之前對設(shè)計(jì)進(jìn)行三維樣機(jī)干涉檢查,使支架設(shè)計(jì)的出錯(cuò)率降到最低。Solidworks可以利用微機(jī)計(jì)算,自動(dòng)檢查干涉,分析產(chǎn)生干涉的原因,并形象顯示出來。對支架相關(guān)干涉的部位進(jìn)行編輯和修改,然后再次對支架進(jìn)行干涉檢查,反復(fù)數(shù)次,直至沒有干涉為止。

重量統(tǒng)計(jì)和重心計(jì)算也是利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行,有時(shí)礦方由于下井運(yùn)輸重量限制等原因,規(guī)定支架重量限制。支架廠家需要準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)重量來決策競標(biāo)價(jià)格底線,以及生產(chǎn)成本核算,這時(shí)重量計(jì)算的準(zhǔn)確性就非常重要。三維自動(dòng)計(jì)算比人工統(tǒng)計(jì)既迅速又準(zhǔn)確。

在給礦方匯報(bào)方案時(shí),利用支架三維實(shí)體模型和運(yùn)動(dòng)仿真,將支架的每一個(gè)部件結(jié)構(gòu),每一層裝配關(guān)系,各種運(yùn)動(dòng)都清晰、直觀地顯示出來。由于礦方審核人員往往不是支架專業(yè)人士,對支架二維方案圖缺乏三維想象力,這樣三維實(shí)體模型使他們有了更感性的認(rèn)識(shí),方便交流和溝通。

2.2應(yīng)力分析

利用Cosmos/works有限元分析軟件可對支架數(shù)字實(shí)體模型進(jìn)行應(yīng)力分析,找到應(yīng)力分布規(guī)律,確定安全系數(shù),優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸。

目前支架應(yīng)力分析方法通常采用傳統(tǒng)的材料力學(xué)和彈性力學(xué)來進(jìn)行分析。傳統(tǒng)計(jì)算方法主要進(jìn)行平面力系計(jì)算,空間力學(xué)計(jì)算比較困難,而且無法處理一些結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度問題,如過橋的強(qiáng)度分析,使得計(jì)算簡略而缺乏可靠性。

當(dāng)前比較先進(jìn)的強(qiáng)度分析方法是有限元法,有限元法是求解數(shù)理方程的一種數(shù)值方法,它是將彈性理論、計(jì)算數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)軟件有機(jī)地結(jié)合在一起的一種數(shù)值分析技術(shù),由丁它快速、高效地解決了許多學(xué)科和實(shí)際工程問題,因而得到逐步的推廣應(yīng)用。

支架有限元強(qiáng)度計(jì)算以液壓支架通用技術(shù)條件為依據(jù)。根據(jù)實(shí)際需要,進(jìn)行靜力強(qiáng)度計(jì)算。加載方式采用組合加載方式進(jìn)行計(jì)算,相對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)檢測出液壓支架的安全性。

在計(jì)算中不把墊塊的作用力當(dāng)作外力來考慮,而是把墊塊的作用力當(dāng)作邊界條件來處理。由于將墊塊作為結(jié)構(gòu)的邊界約束條件來處理,因此,對于掩護(hù)式支架來說,其外載只有立柱對頂梁、底座柱窩所加的載荷。由于柱窩同立柱的作用屬于接觸問題,處理起來較為復(fù)雜,因此假定立柱傳遞給柱窩的外力均勻作用于柱窩表面。

支架結(jié)構(gòu)中銷孔與銷軸間的接觸點(diǎn),隨著加載方式和支架高度的不同而不同。在整架計(jì)算時(shí),省略接觸問題,將銷軸件簡化為梁元米進(jìn)行計(jì)算。

    支架模型為實(shí)體模型。為了減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量,節(jié)約計(jì)算機(jī)資源,在建模時(shí)可以作必要的簡化。對ZY2000/07/14結(jié)構(gòu)件三維實(shí)體模型裝配體的分析,按照以下9種加載方式分別進(jìn)行:(1)頂梁偏載;(2)頂梁偏載與底座扭轉(zhuǎn);(3)頂梁偏載與底座集中載荷;(4)頂梁扭轉(zhuǎn);(5)頂梁扭轉(zhuǎn)與底座集中載荷;(6)頂梁兩端集中載荷;(7)頂梁中部集中載荷;(g)底座扭轉(zhuǎn);(9)底座兩端集中載荷。

以第(2)種情況為例,經(jīng)過材質(zhì)參數(shù)定義、網(wǎng)格劃分、定義邊界條件(約束和加載)、運(yùn)行應(yīng)力計(jì)算等步驟,計(jì)算結(jié)果的應(yīng)力云圖如圖3所示。

Solidworks薄煤層液壓支架設(shè)計(jì)+學(xué)習(xí)資料圖片3

    通過對9種計(jì)算結(jié)果分析,總結(jié)如下:

    (1)柱窩附近和墊塊附近的應(yīng)力值都較高;
    (2)頂梁偏載時(shí),頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿上的應(yīng)力都較大;
    (3)頂梁中間加集中載荷時(shí),頂梁上應(yīng)力值較大,其余構(gòu)件應(yīng)力則小得多;
    (4)頂梁3點(diǎn)加載時(shí),前部加偏載時(shí),最高應(yīng)力出現(xiàn)在前部柱窩附近肋板處與頂梁和掩護(hù)梁連接處;
    (5)頂梁兩端加集中載荷時(shí),頂梁上應(yīng)力較大,其他部件上的應(yīng)力值相比要小得多;
    (6)底座3點(diǎn)加載時(shí),前部加偏載時(shí),則最高應(yīng)力區(qū)位于過橋處;
    (7)前、后連桿的應(yīng)力值在頂梁加偏載時(shí)和3點(diǎn)加載時(shí)應(yīng)力值較高。

通過對支架整架有限元應(yīng)力分析,找出支架應(yīng)力分布規(guī)律,即支架在頂梁偏載工況下受力狀況最為惡劣,表現(xiàn)為支架頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿和底座等處都有較大的應(yīng)力分布。為節(jié)省時(shí)間,可以著重加強(qiáng)頂梁偏載、3點(diǎn)加載(方墊塊位于頂梁后方)和底座扭轉(zhuǎn)(方墊塊位于底座前方)3種工況的分析。

支架強(qiáng)度分析表明,其最高應(yīng)力分布表現(xiàn)為區(qū)域性、局部性的存在,在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)在該區(qū)域施以高強(qiáng)度板材。

    3結(jié)語

應(yīng)用Solidworks軟件設(shè)計(jì)的ZY2000/07/14薄煤層液壓支架,在淄博礦務(wù)局埠村煤礦綜采工作面一次安裝配套成功,目前已正式投產(chǎn),達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求,證明了在液壓支架設(shè)計(jì)中應(yīng)用Solidworks三維設(shè)計(jì)軟件是可行的。