6.2米液压支架关键技术研究与优化设计

论文摘要

本文在借鉴国外液压支架先进设计制造经验的基础上,运用理论计算、数值分析和试验相结合的方法,一次性成功研发了ZY9400/28/26型大采高、大工作阻力两柱掩护式液压支架。这是世界上第一套超过6m的高可靠性大采高电液控制支架,解决了多个大采高、高可靠性液压支架的技术难题,使我国液压支架的设计与制造达到了国际先进水平。为解决液压支架设计与制造中的难点,本文的主要研究工作和创新性从如下几个方面得以体现:1)根据首采工作面的水文、地质条件,首次研究了6m以上液压支架的综采设备的配套问题,计算了6.2m液压支架的主要技术参数。借助CAD/CAE技术,采用自上而下的设计理念,对6.2m液压支架进行了设计和分析计算。应用SolidWorks、COSMOS软件进行了支架的三维设计,完成了虚拟样机干涉分析和动态仿真。应用近似分析方法,对液压支架双扭线进行了比较和优化,并进一步采用有限元方法对液压支架的整体强度进行了分析计算。在整体强度计算的基础上对液压支架的结构件形式、截面形式、关键部位进行仿真计算,保证了支架的稳定性和可靠性。2)对900MPa级高强钢在当前液压支架中的选用情况和焊接难点进行了分析,应用Formaster-D型全自动快速膨胀仪采用热模拟的方法对SHT900钢的焊接CCT图进行了测定,根据焊接CCT图对高强钢（HAZ）过热区组织转变规律进行测定和研究,对SHT900钢焊接性进行了理论计算。采用斜Y型坡口焊接性试验、最高硬度试验和焊接金相试验等试验方法研究了预热温度、层间温度、热输入等参数对高强钢焊接的影响。通过理论计算和试验研究相结合的方法准确确定焊接工艺参数,并通过冲击性试验和残余应力测定试验的方法确定了高强钢的焊后热处理工艺。3)针对现有液压支架柱窝材料强度低,加工热裂纹倾向严重,不能满足高端液压支架对材料高强度和良好塑性、韧性和可加工性的要求的现状,通过正交实验优化设计了一种新型ZG30Cr06A高强钢。通过热模拟交换法、射线衍射法等试验方法测定了新材料的机械性能参数和热物性参数,将相关参数添加到铸造CAE软件-MAGMAsoft中,实现了铸造工艺的优化设计。最后对柱窝的热处理方法和焊接性进行了研究。研究结果表明新材料具有优良的机械性能、良好的可铸性和可焊性,能够满足6.2m液压支架设计和使用要求。4)6.2m液压支架采用先进的PM-4电液控制系统进行集成控制。通过新型插装式液控单向阀的开发解决了现有液控单向阀流通能力有限,卸载冲击大的问题。建立了液压系统的功率键合图,根据功率键合图建立了液压系统状态方程。应用Matlab/Simulink软件对先导阀进行了动态仿真,优化了先导阀的结构。通过对电液控制系统的研究和选型设计保证了移架速度8s/架设计要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的提出、目的及意义
• 1.1.1 论文提出背景
• 1.1.2 论文的来源目的及意义
• 1.2 国内、外液压支架发展现状
• 1.2.1 国外液压支架的发展概述
• 1.2.2 国内液压支架的发展现状
• 1.2.3 液压支架的发展趋势
• 1.3 论文的研究目标、研究内容、关键性技术及创新点
• 1.3.1 论文的研究目标
• 1.3.2 论文重点研究内容
• 1.3.3 论文的研究难点及创新点
• 1.4 本论文的基本结构
• 第2章 6.2M液压支架的选型设计
• 2.1 液压支架选型依据及原则
• 2.1.1 液压支架选型原则
• 2.1.2 液压支架选型依据及内容
• 2.2 工作面地质条件及配套设备情况
• 2.2.1 地质条件
• 2.2.2 配套设备
• 2.3 6.2m液压支架的选型
• 2.3.1 各类液压支架的特点
• 2.3.2 立柱个数的选择
• 2.4 6.2m液压支架的设计
• 2.4.1 支架设计的指导思想和原则
• 2.4.2 设计方法
• 2.4.3 稳定性
• 2.4.4 支架的可靠性
• 2.4.5 液压支架关键参数的确定
• 2.5 顶梁运动轨迹的计算
• 2.5.1 顶梁运动轨迹的数学描述
• 2.5.2 x数学模型的求解
• 2.6 6.2m液压支架主要结构和技术参数
• 2.6.1 主要技术参数
• 2.6.2 ZY9400/28/62支架主要结构特点
• 2.7 6.2液压支架简化力学分析和结构分析
• 2.7.1 液压支架空间力学模型
• 2.7.2 截面强度计算
• 2.7.3 整体稳定性计算
• 2.8 本章小结
• 第3章 6.2M液压支架计算机辅助分析与优化
• 3.1 液压支架重心轨迹的优化
• 3.1.1 液压支架重心轨迹的求解
• 3.1.2 6.2m液压支架双扭线的优化
• 3.2 液压支架整体强度的有限元分析
• 3.2.1 液压支架有限元分析的基本原理和算法
• 3.2.2 6.2m液压支架整架强度有限元计算
• 3.3 6.2m支架关键部件的有限元分析
• 3.3.1 推杆有限元分析
• 3.3.2 销轴的应力应变计算分析
• 3.3.3 立柱强度有限元仿真分析
• 3.4 箱形结构件截面强度校核
• 3.5 本章小结
• 第4章 支架结构件高强钢焊接研究
• 4.1 高强钢的焊接性特点
• 4.2 高强钢的焊接性研究目的和内容
• 4.3 SHT900钢板焊接 CCT图的测定
• 4.3.1 实验设备和试样制作
• 4.3.2 加热冷却参数的确定
• 4.3.3 曲线测试及金相分析
• 4.3.4 根据实验结果绘制 CCT图
• 4.3.5 CCT图的应用
• 4.4 高强钢的焊接性研究
• 4.4.1 SHT900钢焊接材料的选择
• 4.4.2 SHT900钢焊接性试验
• 4.5 900MPa高强钢焊接工艺性研究
• 4.5.1 预热温度的确定
• 4.5.2 焊接热输入量与层间温度对焊接接头性能的影响
• 4.5.3 不同焊接工艺参数下的金相分析
• 4.6 焊后热处理工艺的试验研究
• 4.7 钢焊接接头综合性能评定
• 4.8 本章小结
• 第5章 ZG30CR06A柱窝材料的开发及性能研究
• 5.1 ZG30Cr06A的开发
• 5.1.1 开发思路
• 5.1.2 成分设计
• 5.1.3 试验过程及数据分析
• 5.1.4 成分优化
• 5.2 ZG30Cr06A机械性能参数和热物性参数的测定
• 5.2.1 机械性能参数的测定
• 5.2.2 热性参数的测定方法
• 5.2.3 ZG30Cr06A热物性参数的测定
• 5.3 基于铸造 CAE对新材料下柱窝铸造工艺优化设计
• 5.3.1 参数添加
• 5.3.2 柱窝零件铸造工艺优化设计
• 5.4 ZG30Cr06A材料柱窝零件热处理试验研究
• 5.4.1 热处理工艺试验
• 5.4.2 热处理后性能评价
• 5.5 ZG30Cr06A焊接性能研究
• 5.5.1 硬度分布试验
• 5.5.2 焊接接头的微观组织分析
• 5.6 结论
• 第6章 电液控制系统的研究及选型设计
• 6.1 新型插装式液控单向阀的开发
• 6.1.1 电液控制支架液压系统现状
• 6.1.2 采用插装阀的优势
• 6.1.3 新型插装式液控单向阀的设计开发
• 6.2 电液控制阀先导阀的动态分析与仿真
• 6.2.1 电液控制先导阀的工作原理
• 6.2.2 先导阀开启过程的数学模型
• 6.2.3 先导阀关闭过程的数学模型
• 6.2.4 仿真模拟
• 6.3 控制系统的设计与仿真分析
• 6.3.1 移架速度计算方法
• 6.3.2 6.2m支架移架速度计算
• 6.3.3 控制系统的仿真分析
• 6.4 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间取得的科研成果目录