液壓支架關鍵部件的動態特性仿真與分析

高 虎

（棗莊科技職業學院，山東棗莊 277599）

0 引言

液壓支架一種重要的機械工程支護設備，在礦產開采、巷道施工、橋梁建設等領域有著廣泛的應用[1]。安全性和穩定性是液壓支架最重要的性能要求，是相關企業高效生產的關鍵保障。目前，國內液壓支架的研發技術仍落后于國外先進水平，主要以較高的安全系數為設計依據，對于執行機構或承載部件的動態特性[2-5]尚不夠重視。根據液壓支架的工作原理可知，支撐體系為連桿機構。在產品研發方面，多數采用物理樣機模型來校驗運動機構是否發生干涉或者強度不足等問題。通過實驗方式獲得結構參數雖然具有良好的可靠性[6]，但是對于新產品研發往往存在一定的盲目性。為確保產品具有較高的安全系數，承載部件的選取往往會導致局部不合理。

為此，本文采用有限元方法對液壓支架的關鍵部件進行仿真分析。有限元分析是一種有效地工程設計和分析手段，在處理復雜工作條件具有較高的計算精度[7-9]，對各類載荷的適應能力良好，是一種有效的CAE 研究手段，逐步成為產品研發、優化再造、性能校核等工程研究不可缺少的技術方案。目前，有限元計算軟件類型較多，其中ANSYS 在國內的應用率和認可程度最高，經過多次版本更新，逐步拓展功能，能夠完成強大的數值計算。有限元分析方法的應用可大大縮減產品研發周期，確保設計的科學性和合理性。

1 液壓支架工作原理及功能分析

1.1 支架類型與特點

液壓支架的結構較為復雜，組成部件較多，根據機械結構和工作原理可分為：支撐頂梁、堅固底座、推移橫架、液壓立柱、承載梁等。根據不同工作環境，衍生出眾多液壓支架類型和結構。目前，工程上應用較多的液壓支架主要有3 種類型，包括支撐式、掩護式和支撐掩護式支架。

（1）支撐式液壓支架

該類型的液壓支架是一種早期結構，主要體現在支撐力的提升，在一些硬質頂板的支護方面有著良好的工作效果。得益于強大的支撐力，能夠顯著抵抗周期性沖擊明顯的巖層。支撐式液壓支架分為兩種結構形式：節式和垛式。兩者的區別主要在于支架前梁的長度，而且支柱的垂直狀態需要根據支撐力的預設來設定。液壓立柱與頂梁相互協同工作，對于支護空間的調節也相對簡單。若巖層出現垮落，則能夠控制垮落方向在支架后方，避免二次事故。但是，該類型支架對于橫向載荷的支撐相對較差。

（2）掩護式液壓支架

相比支撐式液壓支架，其頂梁的尺寸相對較小，因此能夠有效地提供橫向支撐力，對于復雜巷道的支護效果較好。掩護式液壓支架的自由度相對較高，因此在靈活性較高巖層環境下能夠獲得更好的運動參數。但是，該類型的液壓支架對于生產規模有著較強的限制，運行的阻力較大，大范圍內使用存在較大難度。

（3）支撐掩護式支架

該類型的液壓支架能夠有效地將前兩種支架進行結合，能夠在橫向和垂向方向均獲得良好的支撐力。支撐掩護式液壓支架的結構特點較為鮮明，其關鍵的四連桿機構主要位于巷道的采空區位置，角度控制方便，即使在較大的傾角條件下仍能夠保持較高的穩定性。但是該類型的液壓支架研發成本和制造成本較高，體積相對較大，在實際工程上的運輸、裝配、移架等工作的難度較大，因此在環境要求較高或貴重金屬礦產開發時的應用較多。

1.2 功能機理分析

液壓支架屬于復雜的機電液一體化設備，動力來源為液壓系統，在增壓平臺的作用下實現不同方向上的壓力載荷，同時與其它支護或開采設備協同運行，從而確保開采面的安全性。液壓支架類型的選取需要根據實際的地質結構。液壓支架在工作時，除了對巷道圍巖進行特定的支護，還將有效地緩解相關部件產生的振動。因此，液壓支架的分析設計除了強度之外，還需要對底座等關鍵零件進行模態分析。由于液壓支架承受的載荷較為復雜，部件較多，功能設計考慮的因素除了基本的載荷和位移，還還包括巖層傾角、巷道高度等外部因素。液壓支架的功能設計主要采用類比法，即針對主流支架結構參數進行反復對比分析，將功能設計與選型設計相結合，最終得出適應能力最強的機械結構。隨著當代分析設計方法的發展和應用，通過計算機進行輔助分析成為結構校驗的關鍵工具之一。

2 液壓支架的有限元分析

2.1 研究方案

有限元是機械工程領域的有效分析工具，其能夠將復雜的物理現象進行簡單的數學化，從而實現目標值的搜索。有限元計算本質上為迭代運算，是對離散數學方程的近似求解。離散方程組的數量是決定有限元分析精度和效率的關鍵因素，微分方程的離散形式和求解方法對于求解結果的可靠性也有重要的影響。對于液壓支架的完整分析計算而言，其關鍵步驟包括有限元模型的建立、載荷類型分析、材料屬性施加、網格劃分、載荷與邊界條件定義等。其中，載荷與邊界條件是有限元分析的難點，對于復雜的載荷需要通過力學分析進行等效和簡化。在靜力學分析中，要求自由度為0，但是可以添加慣性載荷。在網格劃分階段，需要根據有限元模型的結構特點進行選取有效的單元類型[10]。復雜結構以四面體網格為主，否則將出現較大的網格畸變問題，嚴重影響計算的精度。在后處理方法，有限元軟件ANSYS 能夠針對用戶要求，導出不同的云圖或表單數據，有效地查看載荷響應效果，比如變形、應力、應變、反作用力等。

2.2 整體強度特性分析

液壓支架的強度設計在國家標準和行業標準內均有著嚴格的要求，而且對于不同類型的工作環境和部件的安全性能要求不同。為了確保整體液壓支架分析的可靠性，在載荷施加方面，文中對頂梁選用扭轉載荷，兩側設置為集中載荷。對于不同的扭轉方向，均通過自由度的約束來實現。建立液壓支架的整體裝配有限元模型后，可進行網格劃分。有限元分析軟件內設置有3 種網格劃分模式：自由網格劃分、映射網格劃分和掃掠網格劃分。由于模型為裝配圖結構，可針對模型的復雜或規則程度進行合理選擇，最終的出網格劃分結果如圖1所示。

圖1 網格劃分結果

液壓支架整體的應力響應結果如圖2 所示，可以看出：最大應力位置分布在底座前段和頂板兩側位置，計算出的最大應力值為779.821 MPa，未超過材料的屈服極限；各個承載部件的安全性均較高，應力分布未出現明顯的不連續性，結構穩定性較好。

圖2 整體應力云圖

在巨大的支撐力條件下，底座呈現出良好的載荷特性，得益于結構的對稱性，應力分布同樣具有對稱性特點。較大的應力位置為主筋和前端面，距離柱窩較近的位置存在具有較大現象，未超過材料的屈服極限。相比底座，其他位置的應力和變形相對較小，總體的強度特性良好。當出現異常載荷時，在頂梁位置設置非對稱結構，計算得出底座的載荷響應。結果表明，在非對稱載荷作用下，載荷呈現的應力分布差別不大，最大應力仍分布在前端。底座靜載荷分析能夠有效滿足最大支撐力要求，但是對于不穩定圍巖條件，應當采用動態分析方案。因此，對底座結構進行模態分析，能夠有效地得出不同激振情況下的動力響應[11]，對于結構的優化有著關鍵的作用。

2.3 底座模態特性分析

液壓支架的振動和噪聲是難以避免的外部因素，若外部激振頻率與自身機械結構接近時，將對整體的穩定性產生明顯的影響[12]。底座的模態分析同樣采用有限元分析軟件ANSYS 實現，根據振型結果判定結構是否存在薄弱情況。將底座的有限元模型簡化后進行模態計算，將對模型剛度影響較小的結構刪除，比如倒角、圓角和尺寸較小的槽結構。在ANSYS Workbench 中，采用自由網格劃分方法，選用較大的相關度，得出底座元件的網格劃分結果如圖3 所示。其中單元數為365 489，節點數為562 805。

圖3 底座網格劃分

將立柱接觸面進行固定約束，在有約束條件下，對底座的模態特性進行計算。根據有限元模態計算原理可知，固有頻率的數量為無窮多個，隨著階數的增大，計算誤差隨之增大。為此，選取前15 階模態作為分析目標。其中，前兩階的振型云圖如圖4 所示。根據分析結果可知：底座結構的固有頻率主要分為3 個階段，其中1～7 階固頻在200～400 Hz 之間；8～12 階固頻在500～600 之間；13～15 階固頻在700～800 之間；低階模態的穩定性較高，最大振型位移位置位于底座的前端面，與強度分析結果一致；在振型分析結果中，位移量并非真實變形效果，而是振動響應幅值的相對量。液壓支架的底座作為關鍵的承載部件，其剛度和強度的主要薄弱環節在于前端面。為確保整體的承載效果，可將前端面的厚度增大，后端面的厚度減小，可以在確保總體性能不降低的前提下實現輕量化設計。液壓支架的總體強度分析和關鍵部件的剛度分析是機械結構優化的重要依據，也是液壓支架產品研發的新手段。

圖4 底座振型云圖

3 結束語

液壓支架作為機械工程和礦業工程領域內不可缺少的關鍵支護設備，其各方面的性能非常重要，是確保安全生產的保障。為擺脫傳統試驗研發方案帶來的高成本、長周期和反復性等問題，文中運用有限元方法，基于ANSYS 軟件對液壓支架的強度和關鍵部件的模態特性進行了仿真分析。根據仿真結果可知，液壓支架的總體強度良好，最大應力低于材料的屈服極限；由于液壓支架為對稱結構，應力的連續性較為顯著；底座的前端面結構具有一定的優化空間，可將該位置結構進一步加固，并將其它結構進行輕量化，實現性能的進一步優化。在模型轉換方面，文中采用軟件平臺內部接口，避免格式轉變時存在數據丟失等問題。針對模型特點，對于后續的結構優化可采用拓撲形式，便于研發成本的進一步降低。