礦用液壓支架頂梁實驗研究

摘要:針對液壓支架使用現狀，通過三維建模軟件PRO/E 和ANSYS 軟件的無縫連接方式，將液壓支架的已建模型數據導入ANSYS 有限元分析軟件中。針對ZF3700/16/26 型礦用液壓支架關鍵部件頂梁進行強度數值模擬，找到頂梁的力學規律，對比《液壓支架通用技術條件》提出支架檢測的合理化方向。

關鍵詞:ANSYS；液壓支架；數值模擬；頂梁

前言

液壓支架是維持煤礦井下連續安全作業的關鍵設備，廣泛的在煤炭礦井中應用。對煤炭生產中支架的壓死、散架、零部件損壞等問題進行力學性能分析【1】。我國的液壓支架檢測標準歷經28年的發展，已形成了MT312-2000標準，本文將利用有限元分析軟件 ANSYS 結合三維造型軟件Pro/E 進行三維建模和有限元分析，對ZF3700/16/26型液壓支架主體部件頂梁進行加載試驗的數值模擬，得出不同工況下的力學模擬的位應力云圖和位移云圖，依據云圖數據，驗證了支架整體結構的合理性，并對其薄弱環節進行了指明，對液壓支架出廠檢測提供理論依據。

1.有限單元模型建立

液壓支架頂梁是由對多塊鋼板焊接而成得【2-3】，頂梁作為液壓支架工作是直接與煤礦開采工作面頂板接觸的部件，其力學性能尤在整機系統中尤為關鍵，其結構主要包括頂板、柱窩、筋板、內(外)主筋板彎板、及蓋板組成。本論文以ZF3700/16/26型液壓支架頂梁作為具體研究對象，建立PRO/E三維實體模型如圖1所示，應用無縫數據轉換技術，將其導入ANSYS軟件中并以solid92四面體10節點單元進行網格劃分，得到其有限單元模型如圖2所示。

圖1.頂梁proe模型圖2.頂梁有限元模型 圖3.頂梁端載應力云圖 圖4.頂梁端載位移云圖

2.約束施加及數值模擬

頂梁強度試驗以1.2倍額定工作阻力進行加載實驗，墊塊位置設置依《液壓支架通用技術條件》進行，即調整并固定墊塊位置為端載、偏載和集中載荷。

2.1頂梁端載模擬分析

對頂梁兩端集中載荷加載試驗的強度分析，對頂梁的外載荷由柱窩進行加載。加載試驗的約束墊塊位置為全約束，并且控制 x，y，z 方向自由度是零，計算結果分別得到應力云圖（圖3）和位移云圖（圖4）。

由圖3可知，在頂梁端載試驗的最大應力為 335.5 Mpa，位于支架頂梁主體外側板及頂梁護幫板的內側板與柱窩接觸處；最大位移為1.67 mm，位于頂梁中部頂板及附近外側板。頂梁最大變形在條件規定范圍內，同時最大應力小于材料屈服應力，安全系數為 1.04，滿足支架強度要求。

2.2頂梁偏載模擬分析

對頂梁偏載加載試驗的強度分析，對頂梁墊塊進行全約束設置，控制 x，y，z 方向自由度為零，對頂梁柱窩施加外力。得到其應力云圖（圖5）和位移云圖（圖6），圖5顯示最大應力為 332.7 Mpa，位于主體頂梁柱窩耳板及柱窩附近筋板處，并出展現明顯的應力集中效應；圖6顯示最大位移為3.196 mm，位于頂梁護幫板外沿。頂梁最大變形在條件規定范圍內，安全系數為 1.05，實際設計中可通過對柱窩附近蓋板焊接加強板，提高頂梁強度。

圖5.頂梁偏載應力云圖 圖6.頂梁偏載位移云圖圖7.頂梁扭轉應力云圖 圖8.頂梁扭轉位移云圖

2.3頂梁扭轉模擬分析

對頂梁扭轉加載試驗的強度分析，對頂梁墊塊進行全約束，控制 x，y，z 方向自由度是零，對頂梁外載荷由柱窩進行加載【4-5】。得到其應力云圖（圖7）和位移云圖（圖8），圖7顯示頂梁最大應力為295.6 Mpa，位于主體頂梁前側柱窩附近的筋板處；圖8顯示支架扭轉試驗最大位移為 3.33 mm，位于頂梁護幫板外側板大尺寸處。頂梁最大變形在條件規定范圍內，安全系數為 1.18，最大應力滿足材料屈性的需要，滿足支架強度要求。

2.4頂梁集中載荷模擬分析

對頂梁集中載荷加載試驗的強度分析，對頂梁墊塊進行全約束，控制 x，y，z 方向自由度是零，并對頂梁柱窩施加載荷【6】。得到其應力云圖（圖9）和位移云圖（圖10），圖9顯示頂梁出現的最高等效應力為 142.6 MPa，位于頂梁主體與柱窩相連接附近筋板處。圖10顯示在頂梁集中載荷試驗中變形最大位移為 1.84 mm。根據試驗標準，頂梁在試驗中在這種試驗條件下，最不容易破壞，安全系數為 2.45，頂梁的應力變化不大，滿足支架強度要求。

通過對液壓支架主體結構頂梁的仿真分析，討論總結得到：

(1) 在整個有限元分析過程中，不同工況的加載條件下頂梁筋板的應力值都比較高；

(2) 對應力集中比較嚴重的頂梁結構可以直接應用強度較高的鋼板進行焊接；

(3) 運用有限元法進行理論計算，對模型進行可行的簡化處理，合理的劃分網格能夠加快運算速度，提高計算精度；合理的設置邊界條件，使得各工況的加載試驗結果更加準確可靠。

3.結論

(1) 不同工況的加載條件中，ZF3700/16/26型液壓支架最大應力都體現了局部應力集中現象；

(2) 頂梁的最大應力值出現在頂梁端載試驗中，最大應力為 335 Mpa，位于支架頂梁主體外側板及頂梁護幫板的內側板與柱窩接觸附近；在液壓之間檢測時應特別注意對該部分的考核和加載測試。

4.參考文獻

[1] 吳樂兵.液壓支架的發展與前瞻[J]. 淮南職業技術學院學報, 2006,6(1):44-45.

[2] 李建軍，劉毅濤.綜采工作面液壓支架壓死的原因及處理方法[J].煤礦機械，2006，27(11):146-148.

[3] 王國法. 兩柱掩護式放頂煤液壓支架設計研究[J].煤炭科學技術，2003,31(4):36-37.

[4] 毛昌明. 基于現代設計方法的液壓支架研究[D].太原：太原理工大學,2006，05.

[5] 喬紅兵,趙雪松,范迅.輕型放頂煤液壓支架的三維建模方法的研究[J].煤礦機械，2003(2):13-14.

[6] 楊奎.梁加寬式液壓支架的虛擬仿真設計[D].蘭州：蘭州理工大學,2009.04.

作者簡介

梁二君（1985-），男，工學學士，助理工程師，從液壓支架檢測工作。