液壓支架強度試驗模擬研究

張富國，趙 凱

(1. 山西汾西礦業集團 技術中心，山西 介休 032000； 2. 山西汾西礦業集團 設計院，山西 介休 032000)

液壓支架在綜合機械化采煤中起著重要的支護作用，要為工作人員提供安全的工作環境，因此對它有較高的安全可靠性要求[1-2]. 把液壓支架運到采煤工作面進行強度安全檢查很明顯是不符合現實的，本文根據最新國家標準《GB25974.1-2010煤礦用液壓支架第1部分：通用技術條件》，通過有限元軟件對建立好的液壓支架三維模型進行模擬加載試驗，從而獲得液壓支架的可靠性[3].

1 加載試驗分析

根據國家最新標準《GB25974.1-2010煤礦用液壓支架第1部分：通用技術條件》規定，對液壓支架應進行加載試驗，并且試驗應在一個完整的支架上進行，也允許在支架部件上或聯合作用的部件組件上進行，加載方式為內加載[4-5].

有限元分析(FEA)是對于結構力學分析迅速發展起來的一種現代計算方法。由于ANSYS能和其它的三維建模軟件實現無縫結合，本文將采用ANSYSWorkbench對液壓支架進行強度分析。

1.1 支架模型的合理簡化

液壓支架的結構非常復雜，在對其進行有限元分析時，一些細節結構比如圓孔、圓角、凸臺等對支架主體結構強度模擬試驗結果的影響很小，可以將其忽略掉。如果結構過于復雜，將會導致對模型進行劃分網格和加載分析時計算機的運行速度過慢。為了提高工作效率，有必要對模型進行簡化。分析時對支架影響不大的結構都可以去掉，簡化后的模型主要包括：底座、頂梁、掩護梁、前連桿、后連桿、立柱。這里還需要注意的是，支架的各部件都是由許多鋼板焊接而成，焊縫的質量也直接影響著支架的強度，并且在以往的試驗中，由于焊縫質量導致支架損壞占了很大一部分，但是在能夠保證焊縫質量的情況下，液壓支架工作過程中是沒有相對運動的，可以看成一個整體，因此在建模時將各部件建成一個整體。另外，在分析時還需要忽略銷軸連接處的間隙，這是因為銷釘連接處存在間隙，支架運動過程中，間隙接觸部位在不斷變化，導致分析難度很大，因此也需要簡化。

必須在規定的高度對支架進行加載試驗。在對頂梁進行偏載試驗時，試驗高度為支架最低高度加300 mm，其它加載試驗的試驗高度均為支架的最大高度減去支架行程的1/3[6]. 本文所選用液壓支架的最大高度為3 200 mm，最低高度為1 700 mm，因此，對頂梁進行偏載實驗時，試驗高度為2 000 mm，其它試驗高度均為2 700 mm. 所以，在將Pro/E建立的模型導入到ANSYS之前，需將模型分別調至2 000 mm、2 700 mm.

1.2 材料及屬性定義

在實際制造液壓支架時，選用的材料主要是低合金高強度結構鋼，這種鋼不同鋼牌號的抗拉強度特性雖有所不同，但是它們的彈性模量E、材料密度ρ和泊松比μ這些物理特性是相同的，因此在對液壓支架進行有限元分析時可以選用相同的材料屬性。ANSYS中定義材料及屬性時，設置彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，在對截面屬性進行定義時，選用的是各向同性、均勻、線性彈性性質的材料，然后賦予相應的部件這種截面屬性。本文選用的鋼板材料為Q550.

1.3 載荷和邊界條件

對液壓支架進行強度加載實驗，其試驗載荷是立柱分別對頂梁柱窩和底座柱窩施加的作用力。在液壓支架的實際工作過程中，它們之間的接觸是在不斷變化的，導致無法準確地定義載荷的具體值。而在模擬加載試驗時，通常對這種復雜的接觸關系簡化，使力均勻地作用在各個柱窩面上。同時，為了在分析時能簡化計算，還要假設液壓支架的前、后排立柱的傾角相等。

ZZ8000/17/32型四柱支撐掩護式液壓支架的工作阻力為8 000 kN，作用到每個立柱上的作用力均為2 000 kN. 在頂梁偏載的工況下，外載荷為1.1倍的額定工作阻力，此時的立柱傾角為17°，則應在頂梁柱窩面施加的外載荷為：

P水1=1.1Pesinθ=643.22 kN

(1)

P垂1=1.1Pecosθ=2 103.87 kN

(2)

在頂梁扭轉工況時，外載荷為1.2倍的額定工作阻力(Pe)，此時的立柱傾角為23°，則應在頂梁柱窩面施加的外載荷為:

P水2=1.2Pesinθ=937.75 kN

(3)

P垂2=1.2Pecosθ=2 209.21 kN

(4)

2 模擬計算

本文主要針對頂梁偏載、頂梁扭轉、底座扭轉這3種工況來進行模擬加載試驗，這3種工況下墊塊的施加位置見表1.

2.1 頂梁偏載

表1 各種工況下墊塊加載位置及尺寸表

注：a=150 mm，b=200 mm，c=300 mm，d=(20～50)mm(墊塊相關尺寸)

頂梁偏載是一種比較危險的工況，試驗時墊塊位置的放置參照表1. 在邊界條件的處理中，將墊塊與頂梁進行綁定約束，并約束墊塊上UX、UY、UZ方向的自由度，同時約束底座上UY方向的自由度，并對頂梁和底座柱窩面按計算載荷施加載荷，求解結果見圖1，圖2.

圖1 頂梁偏載位移云圖

圖2 頂梁偏載應力云圖

從圖1可以看出，當頂梁受到偏載力時，最大位移量為4.002 1 mm，發生在頂梁前端。從圖2中可以看出，在頂梁偏載工況下，最高等效應力為177 MPa，發生在掩護梁上。但是支架整體所承受應力和位移變化情況都不大，整機處于安全狀態，不會產生結構的破壞。

2.2 頂梁扭轉

墊塊位置的放置參照表1. 在邊界條件中，墊塊與頂梁采用綁定約束，約束墊塊上UX、UY、UZ方向的自由度，同時約束底座上UY方向的自由度，利用耦合法處理銷軸的連接關系。對頂梁和底座柱窩面按計算載荷施加載荷，求解結果見圖3,圖4.

圖3 頂梁扭轉位移云圖

圖4 頂梁扭轉應力云圖

從圖3可以看出，當頂梁受到扭轉載荷時，最大位移變形量為2.516 3 mm，發生在底座處。從圖4可以發現，應力最大值位于頂梁的上表面和墊塊接觸的地方，為355.37 MPa,頂梁是安全的，但是在前后連桿處的最大應力超過了材料的屈服極限，可以對前后連桿選用高強度鋼避免發生損壞。

2.3 底座扭轉

墊塊位置的放置參照表1. 在邊界條件中，墊塊與底座面采用綁定約束，約束墊塊上UX、UY、UZ方向的自由度，同時約束頂梁上表面UY方向的自由度，其余約束類似，并對頂梁和底座的柱窩面施加載荷。求解結果見圖5,圖6.

圖5 底座扭轉位移云圖

圖6 底座扭轉應力云圖

在底座受到扭轉的工況下，從圖5可以得出，支架的最大位移變形量為5.388 8 mm，出現在頂梁， 這和實際情況是相符合的。從圖6可以得出，應力最大值為701.1 MPa，出現在底座的墊塊放置處。很明顯最大應力值超過了材料的屈服極限550 MPa，支架容易出現損壞，可以適當增加底座底板的厚度，采用高強度鋼避免這種現象的發生。

3 計算結果分析

總結以上3種工況下的位移云圖和應力云圖可以發現，液壓支架的最高應力表現為區域性和局部性，有出現應力集中現象。在施加的墊塊位置和銷軸連接位置應力集中的現象更加明顯。在頂梁扭轉工況下，前后連桿處容易發生損壞，可以選用高強度鋼來避免這種現象的發生。在底座扭轉工況下，最大應力值超過了材料的屈服極限，可以適當增加底座底板的厚度，采用高強度鋼來避免支架損壞。

4 結 論

文中利用ANSYS有限元分析軟件對支架進行強度加載試驗模擬，通過對墊塊施加約束將墊塊作為邊界條件來處理，將超靜定范疇的問題轉化為靜定問題，進而得到支架在不同工況下的位移、應力變形規律。通過Pro/E對支架建立三維模型并對其仿真運動，其仿真結果比較接近支架的實際運動過程，對支架的改進提供指導。

參 考 文 獻

[1] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會GB25974.1-2010煤礦用液壓支架第1部分:通用技術條件[S].2011-06-01.

[2] 彭 霖. 液壓支架靜力學與運動學分析以及優化設計[D].武漢：華中科技大學,2015.

[3] 何文斌,李菊麗,李立偉. ANSYS 在液壓支架優化設計中的應用[J].機械設計與制造，2017,06,170-172.

[4] 張悅刊. 基于虛擬樣機技術的液壓支架設計方法研究[D]. 青島：山東科技大學,2016.

[5] 王忠賓，趙啦啦，李舒斌，等.支撐掩護式液壓支架的優化設計[J].重慶大學學報，2014,32(9):1037-1042.

[6] 彭 霖. 液壓支架靜力學與運動學分析以及優化設計[D]. 武漢：華中科技大學,2009.