不同工况下大采高液压支架的结构分析.pdf

设备管理与维修2023 翼10（下）0引言煤是世界上最主要的一种资源，它的安全和高效利用已成为世界各国研究的热点。随着中厚煤层开采机械化水平的提高，安全、高效、高采出率的开发，是当今国内外采掘工作的一个重要课题。根据国家节约能源政策，采用一次高顶方式，进行了大采高液压支架的分析和试验。因此，设计高性能、高可靠性的液压支架是实现矿井机械化的关键。杨晓东1以某矿 18202 工作面 8 号煤层为研究对象，自主研制了大采高综采设备并进行了工业试验。结果表明，该装置工作良好，支护机构能有效控制煤壁带现象的发生，支撑效果理想；肖锋等2为了确保百吨液压叉车的安全性和可靠性，在综采工作面上创建了三维底盘几何结构，简化了基本分析，并允许在满载操作和制动条件下进行应力分布；许姣等3为确定超前液压支护在高采工作面的工作阻力，采用现场工程地质勘察理论分析和数值模拟分析，对工作面巷道破坏和顶板位移进行了研究。赵峰等4为了提高液压杆的可靠性，分析了 ZY21000/38.5/83D 液压杆在煤矿的实际使用情况，得出了在杠杆作用模型下盖梁容易失效的结论；刘海胜等5为了快速有效地支撑大型煤矿的井壁和顶板，在分析大功率支柱液压支撑原理的基础上，采用确定支柱参数的方法，总结出“快、直、正、严、紧、净”六字支撑技术；刘鑫志等6对不同工况下液压支架性能进行动态仿真分析。在液压支架的设计过程中，根据液压支架的应力分布和变形，需要不同的材料和结构模型来提高液压支架的整体性能，以满足高机械恢复的需要；武云龙等7针对煤壁片帮和实际动载矿压的问题，优化了大采高液压支架结构，进行综合设计，确保了煤层开采的高效和安全；文建国等8以霍州煤田甘河煤矿二矿区复杂的煤层地质条件为背景，采用系统分析比较的方法进行支护选择。计算了液压支架的基本参数，分析了其结构要求。李小磊等9介绍了ZE07 液压支架液压控制系统的组成及功能，液压支架自动化及机架优化，保证了大型采煤库智能车间的安全高效生产；吕小广等10针对大采高工作面顶板出界和支架不稳等问题，利用支架的自动控制能力管理工作面顶板和煤壁的位置，做好液压支架的防滑控制和防卸控制；王小雷等11研究了工作面液压支架液压 8303 的系统检测彻底密封了液压支架张力规律和顶板支撑效果，为顶板控制和工作面液压分析提供了可靠的设备和数据支持；仉志强等12在大直径水力管道的试验中，确定了 Amesim管道模型和系统模型，管径和初始压力对液压柱动态特性的影响，模拟结果表明，管道越长、管道直径越大，初始管道压力越高，提升过程越稳定；雷照源等13研究了液压支架在智能方面的应用，根据智能组件和组件完成 SAC 系统的逻辑优化了支持SAC 系统的时间属性；潘哲等14选择 12401 高层矿井液压支架，分析支护围岩系统的刚度特性，建立力学模型，研究支护围岩体系作用机理，计算合理强度，选择初始支护强度和极限强度分布规律。液压支架是各种工作面的主要设备，既要保证顶板的安全和采煤机的运动，又要保证其在大、高条件下的快速推进和提高。因此，液压支架的适应性和可靠性是该项工作的关键。为此改善大采高开采技术可靠性、高可靠性、高阻力、高功率、高自动化、高护顶和护帮效果。1大采高液压支架三维建模1.1基于 SolidWorks 的三维模型建立SolidWorks 有两种模式，分别为从顶到顶和从底向上。由上而下的模型，需要从装配好的结构图入手，增加新的部件，建立相应的特性。从底部到顶部模型，需要先从构件入手，确定构件的特征，再进行装配。本文的重点在于构建一个由下至上的模式，采用SolidWorks，通过拉伸、切割、镜像和扫描等方法，对各个部件进行三维建模。所有的部件都绘制好后，再根据图纸上的机械装配方式进行装配（图 1）。1.2大采高液压支架的受载工况根据国内外有关规范的要求，并根据结构的外部载荷特点，选取 4 种不同的工作状态（图 2耀图 5，其中，顶梁、底座垫块厚度 50 mm），即上梁和下梁承受集中荷载，上梁偏心，下梁两端集中，上梁偏心，下梁受扭矩负载。根据 GB/T 37662001 液压系统通用技术条件 可知，顶梁做偏载实验，支架工作高度是在最小极限高度上增加 300 mm，即 3600 mm；而在其他实验中，支架工作高度是在最大极限高度上减少 300 mm（支架行程的 1/3）、即 5900 mm。根据 GB/T 37662001 液压系统通用技术条件，上横梁摘要：从大采高液压支架的外部受力分析出发，结合现场工作环境，重点分析了 4 种主要工况。应用 ANSYS 软件进行数值模拟，适用于 4 种恶劣的工作条件、工作高度、液压支护、位移的变化进行分析，通过应力和位移云图找到支撑构件的应力集中部位并加以改善，确保了作业的安全性和可靠性。关键词：液压支架；ANSYS；数值模拟；受力分析中图分类号：TH132文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10D.19不同工况下大采高液压支架的结构分析王东祥1，刘伟2（1.国能蒙西煤化工股份有限公司，内蒙古鄂尔多斯014300；2.山东科技大学机械电子工程学院，山东青岛266000）輨輯设备管理与维修2023 翼10（下）支架的工作高度在最小极限高度增加 300 mm，即 3600 mm；对于其他试验，工作高度为距最大极限高度降低 300 mm（支架运动的 1/3），为 5900 mm。2有限元模型的建立第 1 步，进行模型输入。第 2 步，进行材料属性设置，ZY12000 掩护式油压支架的主体材料按照 Q690 为原料，其他材料为 Q460，Q460 材料的结构受力比较低，因此在模型中设定为 Q690。这种物质的弹性系数是2.1伊10-10MPa，泊松比是 0.3，密度为 7850 kg/m3。第 3 步，选择网格单元类型并进行划分，ANSYS 软件具有上百个单元类型，可用于各类实际问题的计算。SOLID45 是包含8 个结点的六面体形元件，精度较高，能够满足需要，因此本次选用 SOLID45 的实体单位。一般情况下，网格小，计算结果更精确，但网格太小，不仅不能改善分析的准确性，还会造成运算量的增大；网格太大，计算工作量减少，但计算的准确性下降，导致计算的错误增加。经过多次筛分实验，通常采用 4060 mm 的网孔，而这一次选择 50 mm的网孔，既能保证精度又能保证经济。其次是对栅格进行分割，将其分成两类：投影栅格和自由栅格。前者需要有规则形状、排列均匀的单元，而后者没有特别的需求。由于该支架的构造比较复杂，故本次设计中采取了自由网格法（图 6）。第 4 步，添加约束与载荷，按照 GB 25974.12010 煤矿用液压支架 第 1 部分：通用技术条件 的规定，在支架的顶部和底部安装 4 个不同的垫片，以模拟井下的实际工作状态，如果将垫片上的压力作为外力来处理，则不能用力学分析的方法来解决。因此，在随后的分析中，将垫片所受的负荷视为一个边界条件。添加约束与外载荷见图 7。根据 GB 25974.12010 煤矿用液压支架 第 1 部分：通用技术条件 规范要求，顶梁偏载实验的外载荷按 1.1 倍额定工作阻力计算，其余实验按 1.2 倍额定工作阻力计算。顶梁偏载数据计算：图 5工况郁（顶梁、底座承受扭转载荷）垫块位置图 4工况芋（顶梁、底座两端集中加载）垫块位置图 3工况域（顶梁偏心加载、底座承受扭转载荷）垫块位置图 16.3 m 大采高两柱掩护式液压支架模型图 2工况玉（顶梁偏心加载、底座两端加载）垫块位置图 6液压支架自由网格划分輨輰设备管理与维修2023 翼10（下）P1=1.1Qcos兹12A1（1）P2=1.1Qcos兹22A2（2）其中，P1、P2分别为顶梁和底座的载荷，Q 为立柱额定工作阻力，A1为活柱横截面积，A2为立柱缸体横截面积，兹1为立柱与顶梁在竖直方向的夹角，兹2为立柱与底座在竖直方向的夹角。经计算得出：P1=94.646 MPa，P2=28.604 MPa。34 种不同工况下的有限元分析3.1顶梁偏心、底座两端加载采用 ANSYS 计算所有支架的应力和位移，如图 8 所示。由图8a）液压支架的总体位移云图可知，最大位移为44.635 mm，最大位移出现在顶梁右板，第二位在掩护梁右边，其他部位的位移较小。由图 8b）液压支架的总体应力云图可知，液压支架各个构件的应力值差异很大，而且其应力分布也不尽相同，最小应力为 2.62伊10-5MPa，最大应力为 626.06 MPa，最大应力集中在顶梁，最大应力比 Q690 低。3.2顶梁、底座两端集中加载采用ANSYS对整个框架进行应力和位移的计算，如图 9所示。由图9a）液压支架的总体位移云图可知，最大位移为31.22 mm，最大位移出现在顶梁中部，其他位置位移较少。由图 5b）液压支架的总体应力云图可知，支架的最小应力约为 1.175伊10-5MPa，最大应力集中于顶部梁，已经超过 1289.7 MPa。而防护梁、连杆和底座受力比较小，说明各构件的受力差异很大，同一构件的应力分布也不尽相同。3.3顶梁、底座承受扭转载荷采用 ANSYS 对液压支架进行全面的分析，如图 10 所示。由图 10a）液压支架的总体位移云图可知，支架的最大位移为 45.857 mm，最大位移出现在底座的后侧，其次是后连杆的下部，顶梁、掩护梁和前连接件的位移最小。由图 10b）液压支架的总体应力云图可知，支架最小应力为 6.98伊10-10MPa，最大应力809.26 MPa，最大应力集中于底座，后连杆次之，顶梁、掩护梁和前杆受力比较低，说明各构件的应力分布差异很大，同一构件的应力分布也不尽相同。3.4顶梁偏心加载、底座承受扭转载荷在顶梁偏心加载、底座承受扭转状态时，采用 ANSYS 软件建立位移云图和应力云图，用于分析整个结构的应力和位移（图11）。由图 11a）液压支架的总体位移云图可知，支架的最大位移值为 75.447 mm，最大值出现在梁的中间和右边，接着是掩护梁和底座，最大位移最少。由图 11b）的液压支架的总体应力云图可知，支架的最小应力在 1.5伊10-5MPa 左右，最大应力在 1 488.4 MPa左右，在这种情况下液压支架上的应力分布非常复杂。顶梁、掩护梁、底座等处的应力集中表明，构件之间的应力差较大，同一构件上的应力分布不均匀。在这些结构中，最大的是顶梁，超过图 7添加约束与外载荷图 9液压支架整体位移、应力云图（工况域）图 8液压支架整体位移、应力云图（工况玉）輨輱设备管理与维修2023 翼10（下）了 Q690。3.54 种工况结果分析（表 1）由表 1 可知，在 4 种工况下，顶梁和底座受到扭转载荷时，屋面梁和基础受到扭转载荷时，顶梁的应力最大。根据 ANSYS的液压支架结构的受力情况，发现其主要原因是受力的影响，如顶梁、底座等。在试验条件下，各部件的最大应力值均与 Q690相近或超过，虽然应力集中对各部件的受力无明显的影响，但在动态荷载作用下，各部件均有损伤，因此必须加以改善。4结论（1）将液压支架测试准则与外部载荷分析相结合，选取 4 种工况下的典型载荷，并使用 ANSYS 分析，得出应力和应变数据。由于液压支撑受力区域内的压力大于其屈服强度，因此必须对其进行结构改造，从而增加其安全性。（2）液压支架在 4 种工况下模拟测试，结果表明：加强板、侧板和定位侧板顶梁的张力集中，参照 ZY12000/33/62 大采高液压支架顶梁优化结果，将顶梁的筋板、侧板及护板加厚到 50 mm。改进后减少大采高液压支架的质量，提高了其承载能力，满足实际工况要求。参考文献1杨晓东.大采高综采工作面液压支架的设计与应用 J.石化技术，2019，26（12）：103，122.2肖锋，郭建锋.大采高综采面百吨液压支架铲板车车架强度分析 J.煤炭科学技术，2019，47（S2）：102-107.3许姣.大采高工作面超前液压支架工作阻力确定 J.煤，2022，31（4）：54-56.4赵峰，亓玉浩，徐忠磊，等.大采高液压支架掩护梁失效模型建立及对策研究 J.煤炭科学技术，2019，47（8）：182-188.5刘海胜.大采高液压支架支护参数与支护方法研究 J.煤炭技术，2021，40（5）：166-169.6刘鑫志.大采高液压支架在不同工况下的性能分析 J.机械管理开发，2021，36（4）：117-118，251.7武云龙，王鹏，纪帅.大采高液压支架结构优化设计及适应性分析 J.内蒙古煤炭经济，2020（22）：49-50.8文建国.复杂条件下大采高综采液压支架选型 J.陕西煤炭，2020，39（4）：36-40.9李小磊，秦志强.大采高智能化工作面液压支架自动跟机研究与应用 J.科学技术创新，2020（11）：168-169.10吕小广.大采高技术与大采高液压支架的开发研究 J.当代化工图 10液压支架整体位移、应力云图（工况芋）图 11液压支架整体位移、应力云图（工况郁）工况方式受力部件最大应力/MPa最大位移/mmI 顶梁偏心加载、底座两端加载顶梁626.0644.63掩护梁178.8824.79连杆44.719.91底座268.314.95II 顶梁、底座两端集中加载顶梁1289.731.22掩护梁573.2224.28连杆859.8327.92底座1003.129.10III 顶梁、底座承受扭转载荷顶梁356.6730.57掩护梁250.1120.38连杆629.4240.76底座809.2645.85IV 顶梁偏心加载、底座承受扭转载荷顶梁1488.475.44掩护梁201.3928.72连杆450.2142.83底座830.6251.29表 1液压支架结构件最大应力和最大位移輨輲设备管理与维修2023 翼10（下）研究，2020（7）：90-91.11王小雷.大采高工作面液压支架受力及矿压的分析 J.机械管理开发，2019，34（12）：60-61.12仉志强，王永辉，李永堂，等.大采高液压支架立柱系统动态特性研究 J.机床与液压，2019，47（20）：24-27.13雷照源，姚一龙，李磊，等.大采高智能化工作面液压支架自动跟机控制技术研究 J.煤炭科学技术，2019，47（7）：194-199.14潘哲.大采高工作面液压支架选型及适应性分析 J.机械工程与自动化，2019（1）：205-207.编辑李波0引言抽油机作为一种常用的设备，主要用于油田自动化生产。该设备在实际应用中很容易出现产出液不均匀、表面毛刺等问题，严重影响盘根盒密封效果，增加了漏油风险。一旦盘根盒漏油问题没有得到及时解决，不仅会导致清洁工作量越来越大，还会对盘根盒造成破坏，导致盘根盒出现刺漏问题，进而增加污染程度。抽油机盘根盒漏油自动报警装置的设计和应用，可以有效解决以上问题。通过设计和应用该装置，不仅可以从根本上解决员工巡检工作量大的问题，还能弥补油田带盘根设备监测技术空白，为实现自动化监测和解决漏油问题提供重要的平台支持。1装置组成抽油机盘根盒漏油自动报警装置结构组成见图 1。该装置主要是由 3 个部分组成：淤主控电路，主控电路主要包含单片机处理器、通信模块、短信息报警电路等部分；于双联电路，双联电路在实际设计中，除了用到 9 V 直流电源外，还用到了直流电源芯片1，通过该芯片可以为主电路提供稳定的直流电压，该直流电压值为 5 V；盂双丝导电环，利用双丝导电环，可以将门电路与雨滴感应器进行有效连接，从而保证该装置电路连接的科学性和合理性2。2外观设计为了简化报警器外壳拆装流程，利用 3D 打印技术，将装置外壳设计为弧形，使得磁扣更好地吸附在盘根盒盖上3。漏油感应板的两条铜皮呈互相交错的状态，并将铜皮贴附到塑料板上，避免塑料板出现闭合问题，另外，将塑料板直接放置到盘根盒上端。3工作原理装置工作原理如图 2 所示，可以看出，该装置在实际运行期间，雨滴感应器和双丝导电环均处于常开触点状态，当盘根盒出现渗漏时，双丝导电环利用油水的导电性进行连接，此时，盘根盒处于高电平状态。当雨滴感应器出现断路时，盘根盒处于低电平状态4。采集电路主要负责对电压信号的采集，并将所采集到的电压信号直接传输至单片机处理器，此时单片机处理器自动启动，促使声光报警器运行，然后利用通信模块完成报警短信息的实时发送，并将这些信息安全、可靠地传输至上位机，便于后期数据处理工作的有效开展。遇到恶劣的雨雪天气，雨滴感应器和双丝导电环之间的线路会自动接通5，通过门电路对高电平进行转换，使其直接转换为低电平，通过采集电路完成对门电路相关电压信号的实时采集和整理，并将采集到的电压信号直接传输至单片机处理器，在单片机处理器的作用下，声光报警器自动处于关闭状态，避免盘根盒出现漏油误报现象6，使得盘根盒漏油报警信息的全面性、真实性和准确性大幅提高。4硬件设计该装置硬件电路在实际设计中，利用 FLASH 存储器不断提高电压比较器的精确度，同时对 LED 输出端口进行驱动处理，并利用软件数据保护功能设计数据传送协议，确保数据在停电的情况下也能安全存储和管理，在此基础上通过门电路将雨滴传感器与双丝导电环进行有效连接，并借助单片机完成相关信号的全面化采集和整理。另外，利用油水的导电性获得相应的信号源，雨天通常会增加报警装置误报概率，同时还会导致装置电池电量被大量消耗，通过实时感应下雨信号，并采用自动断电的方式，避免雨天出现报警问题，降低装置误报概率。摘要：为提高油田带盘根设备智能化监测水平，避免安全事故的发生，设计一款抽油机盘根盒漏油自动报警装置。解析装置的组成、外观设计、工作原理、硬件电路设计，从用户登录模块、下位机、上位机程序设计 3 个方面入手，完成装置软件设计。应用结果表明，抽油机盘根盒漏油自动报警装置运行正常、可靠、稳定，各功能模块满足设计要求。关键词：抽油机；物联网；智能控制平台；监测；报警；远程控制中图分类号：TE463文献标识码：BDOI：10.16621/ki.issn1001-0599.2023.10D.20抽油机盘根盒漏油自动报警装置的设计魏波，高宇博，周广超（哈尔滨石油学院机械工程学院，黑龙江哈尔滨150028）图 1抽油机盘根盒漏油自动报警装置结构组成輨輳