板式液壓支架底座過橋的受力分析及改進

龐志月

（大同煤礦集團機電裝備力泰有限責任公司, 山西 大同 037036）

引言

煤礦企業要想在日益激烈的競爭中不斷擴大規模提升經濟效益，就必須對現有的設備進行持續的技術改造以提升機械設備的技術水平，使之更好的順應時代的發展[1]。一直以來，煤礦井下支護都是煤礦開采過程中非常關鍵和重要的環節，支護設備的可靠性對整個采煤生產的安全進行有著決定性作用。因此，必須采取措施確保支護設備的可靠性[2]。液壓支架是非常重要的支護設備，在確保液壓支架安全性的同時盡可能降低其生產制造成本是未來的發展方向。板式液壓支架不管是在穩定性、經濟性還是安全性方面均表現出很大的優勢。其結構簡單、生產制作周期短、成本低，有很多采煤企業的重要選擇對象[3-4]。由于板式液壓支架與傳統液壓支架在結構上存在不少差異，所以有必要針對板式液壓支架開展系統深入的分析和研究，進一步確保其可靠性。針對液壓支架底座過橋的受力情況分析，發現其中存在的問題，并結合筆者實踐經驗和參考文獻資料提出優化方案，取得了良好的效果。

1 板式液壓支架主要構成部分及優勢

液壓支架的結構形式對其性能有著決定性的影響，會影響整條采煤生產線的生產效率。近年來，我國綜采技術得到了很好的發展，這對礦用液壓支架的結構性能要求更高，在保證性能滿足要求的同時還要想辦法盡可能降低其重量。當前階段應用最廣泛的是四連桿液壓支架[5]，但是這種類型液壓支架的雙紐線存在不穩定性，針對該問題進行優化改進逐漸演變得到了板式液壓支架，如圖1 所示。從圖中可以看出板式液壓支架主要由七部分構成，分別為頂梁、懸浮立柱、尾梁、連板、抬高架、插柱及插槽、底座。

圖1 板式液壓支架結構簡圖

與其他類型液壓支架相比較而言，板式液壓支架存在一些優勢，具體如下[6]：與四連桿液壓支架相比較而言，板式壓支架的結構得到了很大程度的簡化。因此，在對板式液壓支架進行設計時相對簡單，可以縮短設計周期。結構上的簡化同樣有利于加工制度，生產加工時間短、工藝簡單，在一定程度上提升了液壓支架的經濟效益。板式液壓支架中針對插座的設計能夠保證支架沿著既定方向移動，有利于頂梁的控制。在進行上升和下降運動時，在水平方向上頂梁和頂板相對固定在一起，不會發生相對運動，確保了液壓支架穩定性。插柱和頂梁鉸點與頂梁前后斷面的距離不遠，這種結構設計顯著提升了液壓支架的抗偏載能力。由于板式液壓支架采取的是懸浮式液壓支柱，這種類型的支柱具備更強的抗沖擊性能。是液壓支架以其顯著的優勢在小型采煤礦井中擁有很好的應用前景。

2 板式液壓支架模型的建立

2.1 三維模型的建立

利用Pro/E 三維造型軟件對板式液壓支架進行三維建模。首先根據已有的零件圖紙，針對每一個零部件進行三維建模，然后再根據不同零部件的相對位置為其進行裝配，如下頁圖2 所示。圖中箭頭所指為底座過橋的位置。建立好模型后還需要將其導出為ANSYS 能夠識別的文件格式。需要強調的是，為了保證有限元分析工作的順利開展，縮短分析計算的時間，對板式液壓支架中一些不重要的結構進行了簡化，但不影響整體的受力分析。

圖2 板式液壓支架三維模型

2.2 有限元模型的建立

利用ANSYS 軟件對板式液壓支架在工作中的受力情況進行分析。首先需要將三維造型軟件建立的三維模型導入到ANSYS 軟件。然后需要對齊網格進行劃分，網格類型和大小對計算過程和結果有著決定性的影響。ANSYS 軟件可對導入的三維模型進行網格的自動劃分，利用該功能實現模型的網格劃分。網格類型為Solid186 的20 節點實體單元，綜合考慮計算結果的精度和計算時間設置網格大小為20 mm 左右。

板式液壓支架選用的液壓缸直徑大小為160 mm。為了讓有限元模型更好地反映實際情況，在模型中相關結構件的有效尺寸設置為對應數值。根據有關的規范標準要求，在針對液壓支架開展實驗工作時，要求將立柱的工作阻力設置成為額定工作阻力的1.2 倍，使之更好的滿足實際需要，結合具體情況最終將加載壓力設置成為1 014 kN。

在有限元模型中還需要根據實際情況來設置板式液壓支架的材料，準確設置材料屬性是得到準確結果的基礎和前提條件。對板式液壓支架其受力情況比較復雜，整體需要承受很大的載荷，且很多局部位置可能出現應力集中問題，進行設計時通常選用的材料為Q460 鋼板。其各項物理屬性值為：彈性模量和泊松比分別為2.06×1011Pa 和0.28，屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為460 MPa、550～720 MPa和17%。將上述力學參數輸入到有限元模型中進行分析計算。

3 板式液壓支架底座過橋受力結果的分析

如圖3 所示為板式液壓支架底座過橋受力結果云圖，需要說明的是，為獲得準確結果，本文對整個液壓支架進行了數值模擬。但本文的研究對象為底座過橋，因此圖中主要展示過橋局部位置的受力情況。從圖中可以明顯看出，整體上過橋的受力很不均勻，存在應力集中現象，出現應力集中的位置在過橋拐角內側，更具體一點是在過橋的右側，最大應力值達到了797.6 MPa。過橋的其他部位受力情況良好，都不是非常大。對比該種材料的屬性可以明顯發現，過橋的最大應力值超過了材料的屈服強度，甚至超過了抗拉強度值。雖然出現應力集中的區域非常小，但是這些位置出現的過大的應力集中現象必然會對結構件造成損害，進而產生裂紋最終導致結構件的斷裂失效。

基于上述分析可知，現有的過橋結構，過橋拐角內側的右側容易出現應力集中現象，最大應力值超過了材料的屈服強度，不利于結構件服役的穩定性，會顯著降低過橋的使用壽命，有必要采取措施對其進行優化改進。

圖4 優化改進后板式液壓支架底座過橋受力結果云圖

圖3 板式液壓支架底座過橋受力結果云圖

4 板式液壓支架底座過橋的改進措施

針對板式液壓支架底座過橋拐角內側出現的應力集中現象，結合實踐經驗并閱讀大量文獻資料，對其進行了優化改進，經過多次嘗試以后最終確定的優化改進方案如下：降低過橋整體高度值，減小其在垂直方向上的距離，在固定過橋垂直部分時，確保過橋內側面與底座內側鐵板在相同的平面上，另外還對底座過橋拐角的結構和尺寸進行了優化。

針對改進優化后的板式液壓支架底座重新計算分析，所有的建模過程以及參數屬性設置與前面的一模一樣，以確保計算結果的對比性。如圖4 所示,可以明顯看出，過橋的受力情況得到了明顯改善。首先是受力均勻性得到顯著提升，過橋的絕大部分區域受力均在很低的水平。其次，過橋拐角內側雖然還存在應力集中現象，但最大應力值已經降低了很多，其大小為420 MPa。對比該種材料的物理屬性可以發現，最大應力值已經降低到了材料的屈服強度值以下，完全能夠滿足實際使用需要。通過提出的優化改進方案，避免了過橋拐角內側因為應力集中而發生斷裂失效的問題，能夠提升結構件的服役穩定性和可靠性。

將提出的優化改進方案應用到實際中得到了很好的效果，針對底座過橋進行優化改造后從未出現由于應力集中而導致的斷裂失效問題。

5 結論

板式液壓支架以及結構上的優勢，具有很大的應用潛力。由于液壓支架的整體受力情況比較復雜，導致其整體受力比較大，且部分區域容易出現應力集中問題，其中最典型的是底座過橋拐角內側部位。針對相關區域位置的受力情況進行模擬分析，結合具體問題提出有針對性的改進措施。實踐結果表明，利用提出的優化改進方案，液壓支架底座過橋拐角內側區域的應力集中問題得到了很好的解決。