關于BC520-25型液壓支架不同工況強度的分析

岳祥云

（晉能集團大同公司煤機修造分公司， 山西 大同 037000）

引言

近年來隨著我國煤炭開采行業以及自動化工程裝備的發展，礦用液壓支架得到廣泛應用，同時液壓支架的智能化、自動化水平也在不斷提高[1]。但是由于企業追求效益，設備常常處于超負荷狀態下運行。為了做到液壓支架的安全與經濟效益兩方面的發展，因此有必要從結構強度研究入手，開展支架強度分析與結構優化設計的研究[1]。

1 礦用液壓支架的組件

以BC520-25型液壓支架為例，其結構主要由以下幾部分組成：頂梁結構、底座、支撐柱、防護裝置、立柱以及各種連桿、液壓控制系統、電控系統等部件[2]。如圖1所示，為一般常用液壓支架的組成結構示意圖。

根據液壓支架主要零部件功能劃分，可將各部件劃分為四類：即控制系統、承載部件、執行單元、以及輔助設備。其中控制組件主要包括：油缸、各種液壓閥、六合一控制器等組成；承載結構主要包括：頂梁、底座支撐桿等結構，涉及到結構的靜態安全性的部件。輔助設備主要包括：防護裝置、照明裝置、推移裝置等[3]。在工作時，首先是通過多路控制器對各個液壓閥進行控制，以實現液壓缸對承載部件的驅動控制，由承載部件完成各個動作，各個系統部件之間協同配合完成工作。

圖1 液壓支架結構簡圖

2 液壓支架分析模型的建立

根據現有某型號液壓支架工程圖，采用NX12.0軟件創建液壓支架的三維模型。模型中首先是簡化了一些不影響應力分析的細小特征，如開孔、圓角等。其次根據結構的受力分析情況，簡化立柱結構，只需要在頂梁下側與立柱相互作用的地方施加相應的載荷。因為立柱的受力情況較為簡單，可以簡化為立柱軸向載荷來施加于模型上[4]。模型簡化后包括：頂梁結構、前后連桿、底座、千斤頂、防護梁等主要承載結構，如圖2為建立的三維模型。液壓支架的幾項主要參數參見表1所示。

圖2 液壓支架結構簡圖

表1 液壓支架參數

將建立的三維實體模型導入ANSYS Workbench中創建有限元分析模型，需先對模型進行材料參數的設定，然后劃分網格。液壓支架整體采用Q460材料，已知Q460材料密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3。由于模型對于網格的要求并不高，所以選擇四面體網格，采用自動網格劃分法對三維模型進行網格劃分。有限元模型一共劃分為95 421個單元，包括521 683個節點[5]。

3 載荷工況

液壓支架的載荷工況的選取主要依據國標GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架第一部分通用技術條件》執行，由于篇幅所限，本文只列出了兩種最為典型的強度試驗分析工況，分別為頂梁扭轉工況、頂梁偏載荷工況。

在扭轉工況下進行強度分析時，試驗壓力區1.2倍工作壓力，同時支架高度為最大高度減去總行程的1/3。扭轉工況墊塊所在位置如圖3所示，該圖為頂梁的正上方向俯視圖，只需要說明墊塊在頂梁頂面的位置示意圖，所以以單一頂梁俯視圖表示墊塊位置。同理得到偏載工況下，試驗壓力取1.2倍工作壓力載荷，液壓支架的高度為最小高度值加上400 mm，如圖4所示，為偏載工況下墊塊位置示意圖。

圖3 扭轉工況墊塊位置示意圖（單位：mm）

圖4 偏載工況墊塊位置示意圖（單位：mm）

在不同工況下應力分析計算中，需對模型設定相應的約束條件。圖3、圖4中墊塊被當作對于液壓支架受到的約束，其他結構部位設置模擬真實的接觸，摩擦系數設置為0.15。液壓支架結構內部設置個部件之間的銷軸連接關系，兩種工況下計算壓力均為1.2倍工作壓力，即6 400×1.2=7 680 kN。

4 強度分析

有限元模型前處理完成后，分別對兩種工況進行計算，圖5為液壓支架承受偏心載荷時的有限元分析應力圖，圖6為液壓支架承受扭轉載時的有限元分析應力圖。根據分析結果，在偏載荷工況下，應力最大值為409.5 MPa，最大應力值點位于液壓支架上頂板與立柱連接處，接近材料的屈服極限。同理可以看到，在扭轉載荷工況下最大應力值為809.2 MPa，最大應力值點位于頂梁上柱窩位置。

根據結構強度的分析，在液壓支架的整體強度足夠，在扭轉、偏載工況中應力集中比較明顯的區域在支撐立柱結構與頂梁連接區域，應使用筋板進行加強，底座、后連桿屬于強度余量較足區域，可以做適當減重設計。基于有限元計算求解液壓支架在不同工況下的應力分布情況，比較直觀清楚地了解結構的強度狀況。能夠確定液壓支架存在的潛在強度薄弱區域，從而有針對性的對液壓支架的關鍵結構件進行強度分析、結構優化等，更為有效地提升液壓支架結構可靠性、經濟性。

圖5 偏載工況應力（MPa）示意圖

圖6 扭轉工況應力（MPa）示意圖

5 結論

1）液壓支架在承受扭轉工況時應力值大于偏載工況，說明扭轉載荷更加危險，結構最大應力值接近材料屈服極限，容易產生結構安全問題。

2）扭轉工況與偏載工況的應力計算結果均顯示，最大應力區域來自支撐立柱與支架頂梁連接處，所以在日常使用應注意排除。

3）提出設計該井意見，在支撐立柱與支架頂梁連接處增加橫線連接筋板，以緩解該處應力集中情況，同時可以考慮從底座與后連桿區域進行結構優化，減輕結構重量。