關(guān)于ZY17500型大采高液壓支架關(guān)鍵部件強度的有限元分析

溫 鵬

（晉能控股裝備制造集團中央機廠，山西 大同 037001）

引言

煤礦在我國的所消耗的能源中占比在60%左右，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，煤礦資源的消耗總量也在不斷增加。因此，煤礦對于保障國家經(jīng)濟發(fā)展具有重要意義。液壓支架一般由頂粱結(jié)構(gòu)、掩護梁結(jié)構(gòu)以及底座結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組成，其他還有較多的輔助系統(tǒng)。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)是液壓支架工作過程主要承載部件，其結(jié)構(gòu)的安全決定了設(shè)備整機的安全，因此對液壓支架關(guān)鍵部件的分析具有重要作用。

大采高液壓支架的發(fā)展使得厚煤層的開采得以實現(xiàn)，大采高液壓支架具有功率大、操作空間大等特點，可以總結(jié)如下：采煤機功率大，一般可達到2 500～3 500 kW，一般具有自我故障診斷能力，可靠性更高；可適應(yīng)大運量、高采高等工作環(huán)境，相較于一般液壓支架，大采高液壓支架設(shè)備強度更高，重量大；支護助力以及運輸距離都得到了提高，更加適應(yīng)于厚煤層的開采[1]。

1 大采高液壓支架結(jié)構(gòu)特點

大采高液壓支架的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由頂梁、底座、懸浮立柱、掩護梁、千斤頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)組成，下面對其結(jié)構(gòu)特點做簡要介紹。

1）采用八根液壓立柱，使頂梁的支護能力得以提高，同時有助于頂梁的操作調(diào)平。

2）頂梁的受力更均勻，相較于一般的液壓支架，大采高液壓支架頂梁為超靜定結(jié)構(gòu)，承載能力更強。

3）各立柱可以認(rèn)為是二力桿結(jié)構(gòu)，受力沿其軸線方向，受頂梁的偏載影響較小，因此有效提高了立柱的安全性。

圖1 大采高液壓支架的一般結(jié)構(gòu)示意圖

4）采用的是懸浮式立柱，與傳統(tǒng)的立柱相比可壓縮比更高，因此可以提高大采高液壓支架的抗沖擊能力[2]。

2 有限元分析理論

有限元分析計算理論是研究復(fù)雜連續(xù)體工程力學(xué)問題的重要方法，其基本原理是采用結(jié)構(gòu)離散化的方式，將復(fù)雜連續(xù)問題進行簡化，能夠較好地模擬出結(jié)構(gòu)的實際受載情況，對于研究復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)的受力情況具有重要意義。有限元計算方法是將物體劃分為微小單元，相臨單元依靠單元節(jié)點來連接，計算過程中各單元所受的力通過節(jié)點傳遞。

物體中節(jié)點較多，一般通過矩陣來表示單元的剛度與位移載荷之間的關(guān)系，使用矩陣運算同時可以簡化計算量。有限元分析計算的流程如下頁圖2所示，首先是建立仿真分析的對象模型，設(shè)置材料屬性并對其劃分網(wǎng)格，然后根據(jù)事情模型受載情況施加載荷與邊界條件，最后求解并查看結(jié)果[3]。

3 模型建立及網(wǎng)格劃分

3.1 模型建立

圖2 有限元靜態(tài)分析流程圖

由于液壓支架的實際機構(gòu)復(fù)雜，其內(nèi)部組成的機構(gòu)復(fù)雜，會極大地增加有限元計算難度，同時有些結(jié)構(gòu)對分析對象的計算結(jié)果影響較小則可以忽略不計。在建模過程中，對模型進行了一定簡化，去掉頂梁側(cè)護板以及主要分布結(jié)構(gòu)上的連接耳板、小孔等特征。

建模過程中不考慮軸與孔之間的安裝間隙，模擬真實的支架受力情況，將載荷施加在立柱的內(nèi)腔。ZY17500型大采高液壓支架大部分結(jié)構(gòu)材料都為Q690，材料屈服強度為690 MPa，且Q690材料密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3。將三維實體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench，設(shè)置好各部件的材料參數(shù)，在軟件的在Simulation Contact選項中，選擇“contact”設(shè)置各部件之間的相互接觸關(guān)系，前處理的準(zhǔn)確性對有限元的計算結(jié)果具有重要影響[4]。

3.2 網(wǎng)格劃分

基于ANSYS Workbench自動網(wǎng)格劃分功能對模型進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置element size為30 mm，為提高單元劃分質(zhì)量，設(shè)置單元畸變度數(shù)值為0.9，單元類型采用“四面體”網(wǎng)格劃分網(wǎng)格，四面體網(wǎng)格具有較好的適應(yīng)性，適合于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體，最后由Workbench的分析計算，共得到2 720 607個單元，節(jié)點數(shù)為3 835 954個。

4 分析工況及加載

為了計算液壓支架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的強度，選擇較惡劣的工況對其進行分析計算，根據(jù)《煤礦用液壓支架第一部分：通用技術(shù)條件》中對液壓支架載荷的規(guī)定，在此選擇頂梁扭轉(zhuǎn)工況作為分析工況。按照該標(biāo)準(zhǔn)的要求，加載力應(yīng)為液壓支架額定工作助力的1.2倍，本模型中以壓力形式施加于立柱的上下內(nèi)腔中，液壓支架的安全閥設(shè)定的壓力為48 MPa，因此可以計算得到施加于立柱上的壓力大小為55 MPa。限制頂梁在上下方向的位移，在頂梁載荷作用位置、底座與地面接觸位置設(shè)定位移約束為0，在頂梁的每個接觸區(qū)域施加的力大小為708.5 kN，液壓支架的載荷施加圖，立柱視為二力桿其載荷大小如圖3所示[5]。

5 分析結(jié)果

基于有限元第四強度理論對液壓支架的主要承載結(jié)構(gòu)頂梁與底座進行強度分析，根據(jù)最大彎曲載荷工況對模型載荷與邊界條件進行設(shè)置。由計算結(jié)果可以判斷在該工況下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況，可為液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計與改進提供理論參考。大采高液壓支架頂梁與底座的分析結(jié)果如圖4所示[6]。

圖3 最大彎曲載荷工況加載示意圖

5.1 頂梁的分析結(jié)果

根據(jù)有限元分析計算的結(jié)果可知，由于頂梁的兩端位移被限制，頂梁兩端受彎曲載荷作用，最大應(yīng)力值點與最大位移點都出現(xiàn)在頂梁的中部位置。頂梁最大等效應(yīng)力為408.68 MPa，最大應(yīng)力位于頂梁中部兩加強筋板交匯處所形成的焊縫結(jié)構(gòu)，但最大應(yīng)力值未超過材料的屈服極限，因此可以認(rèn)為結(jié)構(gòu)仍是相對安全的。

在ANSYS Workbench中后處理模塊，選擇Total Deformation顯示頂梁的位移計算結(jié)果，結(jié)果顯示頂梁的最大位移值為7.533 2 mm，最大位移出現(xiàn)在中部立柱與頂梁連接的支耳位置，在此工況載荷下頂梁兩端受工作阻力，中部區(qū)域又受到立柱的支撐作用，因此導(dǎo)致頂梁中部位移大于兩側(cè)，與頂梁實際受載情況相符。

圖4 頂梁的應(yīng)力與應(yīng)變云圖

5.2 底座的分析結(jié)果

根據(jù)ZY17500型大采高液壓支架底座的應(yīng)力與應(yīng)變分析結(jié)果（見圖5），可得底座的最大應(yīng)力值為531.34 MPa，小于材料的屈服強度，最大位移值為5.966 4 mm，根據(jù)分析結(jié)果最大應(yīng)力與最大位移均出現(xiàn)在右側(cè)中部立柱與底座連接處，連接支耳由于受載較大產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中以及變形，因此在液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)特別留意這些區(qū)域。

對ZY17500型大采高液壓支架底座的應(yīng)力與應(yīng)變分析結(jié)果的分析，對液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出兩點改進建議：計算結(jié)果顯示頂梁的安全系數(shù)僅為0.91，應(yīng)對立柱與頂梁的連接結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，可采用圓弧過渡處理立柱支耳與頂梁連接位置；底座的最大應(yīng)力與應(yīng)變均出現(xiàn)在中部右側(cè)立柱支耳位置，可能是材料的結(jié)構(gòu)強度不足，可選擇屈服強度更高的Q890，以提高液壓支架的抗載能力。

圖5 底座的應(yīng)力與應(yīng)變云圖