ZZ6200/20/42支架整機有限元分析

于連強

（唐山開灤鐵拓重型機械制造有限責任公司，河北 唐山 063100）

在綜采工作面回采過程中，液壓支架為采煤機、刮板輸送機以及人員作業提供一個安全的作業空間，因此，液壓支架在綜采工作面發揮著極為重要的作用。受直接頂與老頂來壓的影響，支架可能長期處于高壓下工作。同時，隨著工作面回采，需要人員不斷地井下操作支架進行推溜、移架工作，人員與設備的安全問題顯得異常重要，液壓支架的結構件必須具備足夠的強度，因此，液壓支架的安全性就是液壓支架優化設計中的重中之重。

該文引入ZZ6200/20/42 支撐掩護式液壓支架，在構建有限元模型的基礎上，圍繞其展開分析。基于井下作業的惡劣條件，先以有限元分析軟件對ZZ6200/20/42 支撐掩護式液壓支架展開靜力學分析，然后立足于分析結果進行現場試驗。最后，根據結構件上的高應力分布區域給出了板材選用的建議以及結構優化設計時的注意事項。

1 ZZ6200/20/42支撐掩護式液壓支架概況

ZZ6200/20/42 支撐掩護式液壓支架是該公司為蔚州單侯礦所生產的四柱支撐掩護式支架，由于支架強度理論計算時只能得到支架結構件某些特殊截面處的應力數據，無法獲取支架整機任意處的應力數據，因此，該文擬采用較為先進的有限元分析手段來恢復整個支架的應力場，為支架的強度校核提供有力的參考。

2 ZZ6200/20/42支撐掩護式液壓支架有限元模型的構建

在構建ZZ6200/20/42 支撐掩護式液壓支架有限元模型時，對支架整體受力影響微乎其微的部件和結構需進行一定程度的簡化，將載荷直接加載到上、下柱窩處[1]。

當對ZZ6200/20/42 支撐掩護式液壓支架頂梁、底座兩端進行集中加載時，因載荷關于支架的對稱面對稱，同時，支架結構、約束、材料都關于支架的對稱面對稱，因此可以采用對稱約束，即只分析支架結構的一半來替代整個支架，這樣可以大大減少計算量、提高計算效率。

此外，支架在進行加載前須在頂梁、底座的兩端按最新標準GB25974.1-2010 煤礦用液壓支架 第一部分：通用技術條件的規定中的位置放置墊塊，同時，為防止加載時底座的前后移動，還須在底座的前后端放置墊塊卡住底座，以便加載時底座能夠正常承載，墊塊放置完畢后通過4 個立柱進行內加載。

該次分析采用Creo Simulate 進行分析，其使用P 單元，傳統有限元軟件如Ansys/Abaqus 均采用H 單元，即需要反復不斷地加密網格來達到收斂，因此計算結果的精度過度依賴單元的精細程度。而P 單元則不同，其采用高階單元（最低3 階，最高9 階），通過不斷提高單元階次來達到收斂的目的，因此不需要特別細化的網格就可以達到較高的應力精度。

3 ZZ6200/20/42支撐掩護式液壓支架受力分析

在煤礦井下實際作業中，液壓支架的載荷主要來自直接頂與基本頂，從理論上來講，支架在受外力作用影響時，立柱上的安全閥會在過載時溢流以保持內外載荷的平衡，因此，通常選擇以標準規定的載荷作為邊界條件來進行支架的受力分析[2]。

4 有限元分析結果

在該階段對ZZ6200/20/42 支撐掩護式液壓支架主體結構進行靜態大變形接觸分析，將摩擦因數設置為0.15，材料設為結構鋼，彈性模量210GPa，泊松比0.3，支架高度為最大高度減去支架行程的1/3，立柱載荷按1.2 倍的額定工作壓力加載，得到支架整機的位移云圖與應力云圖（如圖1、圖2所示）、頂梁和底座在兩端集中加載工況下的應力云圖（如圖3、圖4 所示）。

圖1 支架位移云圖

圖2 支架應力云圖

圖3 支架頂梁應力云圖

圖4 支架底座應力云圖

觀察圖1、圖2 可知，支架頂梁、底座兩端集中加載時頂梁、底座的變形最大，應力也最大。由圖3、圖4 可知，頂梁的高應力區域出現在頂板與蓋板上，底座高應力區域出現在柱窩兩側的主筋、蓋板處。由圖2 可知，掩護梁與前、后連桿受力較小，應力相對較低，高應力區域出現在掩護梁與前、后連桿鉸接孔處。這些應力數值的量級和應力場分布規律與理論計算結果十分吻合，因此分析結果的準確度與可信度很高。

5 ZZ6200/20/42支撐掩護式液壓支架整機應力試驗

在井下回采作業中，工作面的地質條件比較復雜，導致液壓支架的頂梁和底座經常存在2 點或3 點接觸的惡劣條件。因此，在進行液壓支架整機試驗時，要遵循煤炭行業的最新標準GB25974.1—2010 煤礦用液壓支架 第一部分：通用技術條件的要求，來模擬等效的惡劣工況，即將支架移動至試驗平臺內，在頂梁上和底座下規定的位置各放置兩塊窄長墊塊，當立柱加載時，頂梁慢慢上升并托起墊塊與試驗臺上頂面相接觸，在兩端集中加載的工況下，頂梁、底座發生較大的彎曲形變，進而等效于實際工況。

壓架時采用1 500 t 的壓架試驗臺來對液壓支架的整體強度進行試驗，具體有3 個實驗步驟。1）將支架放置于試驗臺內，打磨貼片點位并貼片。2）通過立柱下腔為支架打壓，壓力達到31.5 MPa 后保壓5 min，待應變片輸出數據穩定后進行數據記錄，為保證實驗數據的準確性和科學性，可以選取被測點的3 個方向，使用靜態應變儀和應變片對各點應力進行采集。3）將試驗所得的應變數據轉換為應力數據。

6 ZZ6200/20/42支撐掩護式液壓支架應力特點

經過以上各項研究后，可以總結出ZZ6200/20/42 支撐掩護式液壓支架在頂梁、底座兩端集中加載工況下有3 個應力特點。1）頂梁、底座的變形較大，應力較高，高應力區域具體出現在頂梁、底座上柱窩處的主筋、蓋板處。2）掩護梁與前、后連桿的變形較小、應力較低，高應力區域具體表現在掩護梁與前、后連桿的鉸接處。3）頂梁、底座的最大應力出現在其與墊塊接觸的區域附近。

針對以上應力場特點，設計人員在進行優化設計時應采取3 個解決辦法。1）對于變形較大部件須采用塑性較好的板材，對于應力較大部件須采用屈服強度較高的板材，例如Q690、Q890 等。2）對于鉸接處，需要盡量增加鉸接處的接觸面積以降低接觸壓力，例如增加貼板或貼環來增加接觸面積。3）對于與墊塊接觸的高應力區域，頂梁、底座的頂板與底板，可以適當增加板材的厚度，避免因材料局部的屈服而導致的失效。

7 結語

在進行整架有限元分析時，為了提升計算效率，可以針對支架模型作一系列的簡化處理，簡化后，求解結果數據的準確性也是可以保證的。通過有限元分析的計算方法，可以更加準確地將結構內部的應力場全部展現出來，突破了理論計算只能獲得某些特定截面上的應力的局限性，使支架強度校核結果更直觀、更加貼合實際、更為可靠。

總而言之，通過有限元分析，得出了ZZ6200/20/42 支撐掩護式液壓支架的變形與應力特點，可以為支架材料的合理布置以及材料性能等級的選取提供科學依據，為后續的支架優化設計工作提供了可靠的理論參考，達到了對支架進行整機有限元分析的目的。