礦用液壓支架的整機有限元分析與加載試驗

□ 李 奇 □ 李祥松

沈陽工程學院 機械學院 沈陽 110136

礦用液壓支架是與刮板輸送機、采煤機 （或刨煤機）聯合使用的井下煤礦采集設備。在采煤過程中，液壓支架會受到來自采空區頂板的巨大壓力，而此時，工作人員會在支架下調試采煤設備的各種參數。若液壓支架由于本身的強度問題被壓潰，其后果將是災難性的，因此，液壓支架的可靠性研究具有重要的理論意義與實際意義。

長期以來，國內外眾多學者對此進行了大量的研究［1-3］。 任錫義［4］利用 AMESim 與 ADAMS 各自的功能，分別在兩個軟件平臺的基礎上建立了系統的仿真模型來實現聯合仿真，對液壓支架整體的動態特性進行了有效分析。李長江［5］對液壓支架進行了三維建模和空間有限元受力分析，并對重要結構件進行了模態分析，得到了相關結構件的應力、應變狀況和固有頻率。K Dasgupta和 R Karmakar［6］利用計算機仿真軟件對液壓元件所受的沖擊載荷進行了模擬。

本文以某礦用液壓支架為研究對象，建立了液壓支架的有限元模型。針對液壓支架在井下的惡劣工況，首先運用有限元分析軟件對該礦用液壓支架進行靜力學分析。然后，根據仿真結果選取相關測點，對其進行試驗研究。通過兩者的數據對比，驗證了有限元分析的準確性。本文的研究為以后液壓支架的設計、優化、選材等提供了一定的理論依據。

1 液壓支架有限元模型的建立

以某礦用液壓支架為研究對象，運用有限元軟件建模，建模時，簡化了對整機受力影響不大的部件與結構。在立柱的簡化方面，雖然立柱不是應力試驗的關注對象，但卻是提供支撐力的裝置，因此可由千斤頂缸內油壓計算出的支撐力來替代，即在千斤頂與頂梁和底座的連接處施加支撐力來代替千斤頂。同理，在底座兩端集中載荷工況下，將狹長鋼板放置在底座下方，千斤頂支撐力的施加方式與前者相同。液壓支架的簡化模型如圖1所示。

網格劃分采用帶有中間節點的四面體與六面體單元，這種單元的特點在于可以應用較少的單元數量來獲得更加精確的結果［7］。在網格劃分時，根據液壓支架在試驗中的受力情況，對頂梁和底座進行了加密處理。后連桿與掩護梁因試驗工況的原因受力較小，因此使用較為粗大的網格以減小計算規模。在本次分析中，模型共有343 227個節點與178 256個單元，有限元網格模型如圖2所示。

▲圖1 液壓支架的簡化模型

▲圖2 液壓支架有限元網格模型

2 液壓支架受力分析

液壓支架在實際工作中，載荷的主要來源為覆巖壓力和沖擊地壓以及掩護梁上矸石的作用力。隨著外力的增大，立柱油壓也會隨之增大來平衡外載荷，直到油壓大于立柱安全閥的調定壓力而使液壓支架卸荷為止。然而實際的壓力狀況是多變的，油壓的變化也是一個完全隨機的過程，因此試驗中采用千斤頂的額定承載能力來測試液壓支架的承載性能［8］。試驗中的液壓支架頂梁與底座的受力簡圖如圖3、圖4所示。

▲圖4 底座受力簡圖

▲圖3 頂梁受力簡圖

以頂梁受力為例，Q為頂板壓力，P1為前立柱支撐力，P2為后立柱支撐力，θ1、θ2分別為前立柱、后立柱與豎直方向的夾角。根據圖3、圖4所示的受力狀態有：

P1與P2通過立柱油壓計算為2 480 kN，取夾角θ1為 70°、θ2為 3°，計算出 Q 為 4 938 kN。 由于此液壓支架為左右對稱結構，因此總的外部壓力應為Q的2倍，即9 876 kN，此數值即為該液壓支架的額定載荷。

3 有限元分析結果

在施加了相應的邊界條件后，對液壓支架進行相應的模態求解，得到頂梁與底座在集中載荷工況下的應力云圖，如圖5、圖6所示。

根據設計經驗與在實際工作中的易損點，在整臺支架上取20個應力測試點，這些應力測試點的分布為：底座 5 個，編號為 1、2、3、4、5；前后連桿 6 個，編號為 6、7、8、9、10、11；掩護梁 3 個，編號為 12、13、20；頂梁 6 個，編號為 14、15、16、17、18、19。 提取這些點的應力值與試驗值作對比，以驗證有限元分析的準確性。

由圖5和圖6可以看出，頂梁和底座在墊板位置有明顯的應力集中現象，在應力集中處的中心位置，結構的變形最大，這與實際是相符的。

4 液壓支架整機應力試驗

液壓支架在實際工作時，其頂梁和底座都不是與平坦的平面接觸，而是與凹凸不平的煤層或矸石接觸。在這種工況下，頂梁和底座可能會有應力集中現象。按照煤炭行業標準MT312-2000的要求，試驗過程中需通過模擬頂梁和底座因受到集中載荷而彎曲的工況來檢測支架的可靠性。

▲圖5 頂梁兩端集中載荷工況下的等效應力云圖

▲圖6 底座兩端集中載荷工況下的等效應力云圖

試驗中用兩塊狹長鋼板分別放置在頂梁和底座的兩端，當液壓支架的立柱頂起后，兩端的鋼板會先與固定壁面接觸，頂梁或底座的中間部位會因兩端的集中載荷而彎曲變形，以此達到模擬液壓支架惡劣工況的目的。

應用2 500 t壓架試驗臺來模擬實際工況。首先將支架放置在壓架試驗臺下，打磨貼片點，并黏貼應變花。之后調節泵站出口壓力，使立柱內油壓達到試驗要求值。此時有應力值輸出，當應力值穩定后記錄數據。在數據采集方面，試驗采用60通道靜態應變儀與應變片采集各測試點的應力，可以測試測點3個方向的應力值，使試驗數據更加準確（試驗現場如圖7所示）。

5 對比分析

為驗證有限元分析結果的準確性，必須將試驗結果與有限元分析結果進行對比分析，若兩者誤差較小，則可以認為有限元模型能夠近似地模擬實際工況，可信度較高。試驗結果與有限元分析結果的對比如圖8、圖9所示。從圖中可以看出，試驗結果值與有限元仿真結果較為接近，誤差在可接受范圍內，從而驗證了有限元分析的準確性。

▲圖7 ZJ01型液壓支架應力測試現場

▲圖8 頂梁兩端集中載荷工況數據對比

▲圖9 底座兩端集中載荷工況數據對比

在僅承受靜壓力的狀態下，液壓支架的絕大部分載荷均由頂梁和底座承擔，掩護梁、前后連桿以及各銷軸處應力很小，這是符合設計要求的。原因在于如果將巨大而又持久的壓力集中在這些較小的部件上，再加上井下的惡劣條件，這些部件將極易發生損壞，而一旦這些部件失效，后果將是災難性的。相反的，如果壓力通過較大的頂梁和底座兩部件傳給千斤頂來承擔，則可以發揮液壓傳動承載能力大、穩定性好、堅固耐用的特點，使整機的性能更加可靠。

在有限元分析過程中，鋼板與頂梁或底座接觸的邊緣部位的等效應力超出了材料的彈性極限，進入到了塑性階段。在應力試驗中，發現鋼板與液壓支架接觸的邊緣部位也有微小的塑性變形。除此處之外，頂梁與底座部位的應力分布較為均勻，無大范圍的應力集中現象，可以認定該液壓支架的鋼結構較為合理。

6 結論

通過上述研究和分析，可以得出以下結論。

（1）在支架只承受靜載荷時，頂梁和底座承擔了大部分的載荷，掩護梁和前后連桿受力較小。

（2）仿真結果與試驗結果趨勢一致，誤差較小，說明仿真模型的可信度較高，并可以以此來評估支架整體的受力狀況，進而修正支架設計軟件的某些參數。

（3）根據仿真結果，液壓支架整體受力較為均勻，無大范圍應力集中現象，驗證了支架鋼結構的可靠性。

［1］ 李博.液壓支架動載特性及疲勞壽命分析［D］.太原：太原理工大學，2013.

［2］ Cao Lianmin,Zeng Qingliang,Xiao Xingyuan，et al.Finite Element Stress Analysis on Structure of Hydraulic Support［J］.Advanced Materials Research,2011,321：84-87.

［3］ Cao Lianmin，Zhao Wenming.Material Stress Analysis of Hydraulic Support in Deeply Inclined Top Coal Caving Face Based on Virtual Prototyping Technology ［J］.Advanced Materials Research,2012，568： 230-233.

［4］ 任錫義.液壓支架整體動態特性仿真分析［D］.太原：太原理工大學，2010.

［5］ 李長江.液壓支架的計算機輔助工程分析［D］.濟南：山東大學，2005.

［6］ K Dasgupta,R Karmakar.Dynamic Analysis of Pilot Operated Pressure Relief Valve ［J］.Simulation Modeling Practice and Theory，2002 （10） ：35-49.

［7］ 龔曙光.ANSYS基礎應用及范例解析［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［8］ 杜長龍,肖世德.液壓支架計算機輔助分析與設計［M］.徐州：中國礦業大學出版社，1996.