基于ANSYS有限元的ZY7600/20/43D型液壓支架護幫板損壞原因分析

梁和平，牛艷奇，劉 偉，張澤山

(1.開灤 (集團)有限責任公司，河北唐山063018;2.天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013;3.寧夏天地平頂山煤機有限公司，寧夏銀川750021)

煤壁片幫和梁端冒頂是影響綜采效率和工作面安全生產的主要因素。在礦山壓力作用下，煤壁片幫和梁端頂板冒落互相誘發，構成惡性循環。

護幫裝置可以有效防止煤壁片幫，進而避免端部頂煤冒落及失控，確保工作面的安全生產［1］。護幫裝置主要有2種類型，一是簡單鉸接式，二是四連桿式。前者承載能力差;后者挑起力矩大，適應性強［2］。

但是，受結構限制，四連桿機構容易損壞。寧夏銀星礦ZY7600/20/43D型液壓支架護幫經常出現焊縫開裂、主筋剪斷等問題，如圖1所示。本文對該型液壓支架的四連桿式護幫裝置損壞原因進行分析。

1 護幫結構及受力分析

四連桿式護幫結構及受力如圖2所示。不計護幫的自重和摩擦力［4］。

由圖2可以求得連桿力和護幫板上所受的力。

圖1 護幫結構損壞實物照片

對Q點取矩，得到

圖2 護幫結構及受力示意

式中，δ為千斤頂與長連桿夾角;θ為長連桿與短連桿夾角;α為短連桿與垂直方向的夾角;F1為短連桿受力;F2為長連桿受力;FN為千斤頂作用力;FR為護幫板所受垂直外力;L為護幫板與頂梁鉸接點到護幫板所受垂直外力的距離;L1為護幫板與頂梁鉸接點到短連桿的距離;Fx為護幫板與頂梁鉸接點的水平受力;Fy為護幫板與頂梁鉸接點的垂直受力。

由圖及公式可以看出，鉸接點的位置、護幫長度、連桿尺寸對護幫裝置的力學性能有影響。ZY7600/20/43D型液壓支架護幫千斤頂的推力為458kN，護幫板挑平時，δ=38.8°，θ=61.1°，α=17.9°，L=1050mm，L1=142mm。將上述數值代入式 (3)，得FR=44.34kN。本文采用Inventor建模，將各結構件和焊縫分開建模，然后裝配到一起，三維實體模型如圖3所示。

圖3 護幫結構三維實體模型

2 護幫結構有限元分析

2.1 網格劃分

在有限元分析過程中，網格的劃分是非常重要的，其直接影響計算結果的正確性和精確程度。ANSYSWorkbench具有比ANSYS更強大的網格劃分功能，以及更加智能化的虛拓撲功能［5］。

本文采用四面體網格劃分方法，最終形成的有限元模型如圖4所示，共有39038個單元，10539個節點。

圖4 模型網格圖

2.2 邊界條件及加載

護幫結構件采用Q460鋼板焊接，采用等強匹配焊接，焊接的材料特性與Q460的材料特性一致。護幫千斤頂進回液管路系統設有雙向鎖，對護幫千斤頂伸出桿底面施加固定約束;不考慮頂梁的運動，對頂梁施加固定約束;護幫板、頂梁、長連桿、短連桿以及護幫千斤頂之間是鉸接，添加Revolute Joint約束;在模擬焊透時，焊縫和結構件之間是相互結合，在DM模塊下應用from new part命令將其整合到一起，在進行有限元處理時，每一部分的連接處為共節點約束。

參照GB25974.1－2010《煤礦用液壓支架》第一部分:通用技術條件，對液壓支架的“護幫集中載荷和扭轉”進行有限元分析。集中載荷分析時，在挑起位置時施加載荷為 44.34×1.3=57.64kN;扭轉分析時，在護幫板豎直位置時施加載荷為79.29×1.3=103.08kN。

2.3 仿真結果

進行集中載荷和扭轉試驗模擬，對墊塊施加載荷，仿真結果如圖5，圖6所示。從圖中可以看出，護幫板的應力分布十分不均勻，應力集中點都是在主筋的根部，當長期使用時，裂紋往往是從此處出現，這與圖1所示的護幫板的破壞形式相符。連桿處的最大應力出現在焊縫與結構件的相交處。集中載荷時，護幫板的最大應力為263MPa，連桿的最大應力為133MPa，所受的最大應力都小于材料的破壞應力，說明護幫裝置在此種工況下工作時不易發生靜力破壞。扭轉試驗時，護幫板的最大應力為596MPa，連桿的最大應力為269MPa，在這種工況下，護幫裝置容易發生靜力破壞。由于護幫裝置是焊接結構，如果主筋和護幫板未焊透，承載能力會大大降低，板料之間就會有間隙和裂紋，更易出現圖1所示的破壞形式。易知，在焊縫焊透的情況下，焊縫與焊縫的交界處應該平滑過渡，減小應力集中。

圖5 集中載荷與扭轉試驗護幫板應力云圖

圖6 集中載荷與扭轉試驗連桿應力云圖

3 結論

本文應用Inventor和ANSYS軟件對護幫四連桿機構在挑起位置時進行受力分析，該方法具有計算速度快、精度高的特點，利用該方法進行護幫四連桿機構的設計和分析，可以提高工作效率和準確性。

通過模擬分析可知，護幫板集中載荷時的應力值遠小于鋼板屈服強度，說明該狀態護幫板不易發生靜力破壞。液壓支架在井下工作時，隨著工作面的不斷推進，液壓支架護幫板也承受著加載、卸載、再加載的循環載荷作用，同時，板料完全焊透是一種理想狀態，當焊接工藝和焊接規范制定不當時，就會出現焊不透的情況，在交變循環載荷的作用下，尤其是焊縫處就易發生疲勞破壞，以及產生裂紋，這樣當損傷積累和裂紋發展到一定程度時，就會出現焊縫開裂、結構斷裂等損壞。針對這些損壞一方面是進行結構優化設計，另一方面就是采用高強板和合理的高強板焊接工藝及規范以提高液壓支架的承載能力。

［1］王國法.液壓支架技術 ［M］.北京:煤炭工業出版社，1999.

［2］孟海崗，閆洪元，佟林陽，等.基于Pro/E的護幫四連桿機構受力分析［J］.煤礦機械，2011，32(11):114－115.

［3］丁紹南.液壓支架設計 ［M］.北京:世界圖書出版社，1992.

［4］袁 飛，劉鐵軍，王 旭，等.液壓支架護幫板的力學分析與計算 ［J］.煤礦機械，2010，31(9):19－20.

［5］劉 坤.ANSYS有限元方法精解［M］.北京:國防工業出版社，2005.

［6］張增營.往復式壓縮機環狀閥工作過程沖擊應力分析［D］.桂林:廣西大學，2004.

［7］李育斌.復雜鈑金零件工序形狀設計技術研究 ［D］.武漢:華中科技大學，2007.

［8］杜平安.有限元網格劃分的基本原則［J］.機械設計與制造，2000(1):34－36.