液压支架强度试验模拟研究

张富国，赵 凯

(1. 山西汾西矿业集团 技术中心，山西 介休 032000； 2. 山西汾西矿业集团 设计院，山西 介休 032000)

液压支架在综合机械化采煤中起着重要的支护作用，要为工作人员提供安全的工作环境，因此对它有较高的安全可靠性要求[1-2]. 把液压支架运到采煤工作面进行强度安全检查很明显是不符合现实的，本文根据最新国家标准《GB25974.1-2010煤矿用液压支架第1部分：通用技术条件》，通过有限元软件对建立好的液压支架三维模型进行模拟加载试验，从而获得液压支架的可靠性[3].

1 加载试验分析

根据国家最新标准《GB25974.1-2010煤矿用液压支架第1部分：通用技术条件》规定，对液压支架应进行加载试验，并且试验应在一个完整的支架上进行，也允许在支架部件上或联合作用的部件组件上进行，加载方式为内加载[4-5].

有限元分析(FEA)是对于结构力学分析迅速发展起来的一种现代计算方法。由于ANSYS能和其它的三维建模软件实现无缝结合，本文将采用ANSYSWorkbench对液压支架进行强度分析。

1.1 支架模型的合理简化

液压支架的结构非常复杂，在对其进行有限元分析时，一些细节结构比如圆孔、圆角、凸台等对支架主体结构强度模拟试验结果的影响很小，可以将其忽略掉。如果结构过于复杂，将会导致对模型进行划分网格和加载分析时计算机的运行速度过慢。为了提高工作效率，有必要对模型进行简化。分析时对支架影响不大的结构都可以去掉，简化后的模型主要包括：底座、顶梁、掩护梁、前连杆、后连杆、立柱。这里还需要注意的是，支架的各部件都是由许多钢板焊接而成，焊缝的质量也直接影响着支架的强度，并且在以往的试验中，由于焊缝质量导致支架损坏占了很大一部分，但是在能够保证焊缝质量的情况下，液压支架工作过程中是没有相对运动的，可以看成一个整体，因此在建模时将各部件建成一个整体。另外，在分析时还需要忽略销轴连接处的间隙，这是因为销钉连接处存在间隙，支架运动过程中，间隙接触部位在不断变化，导致分析难度很大，因此也需要简化。

必须在规定的高度对支架进行加载试验。在对顶梁进行偏载试验时，试验高度为支架最低高度加300 mm，其它加载试验的试验高度均为支架的最大高度减去支架行程的1/3[6]. 本文所选用液压支架的最大高度为3 200 mm，最低高度为1 700 mm，因此，对顶梁进行偏载实验时，试验高度为2 000 mm，其它试验高度均为2 700 mm. 所以，在将Pro/E建立的模型导入到ANSYS之前，需将模型分别调至2 000 mm、2 700 mm.

1.2 材料及属性定义

在实际制造液压支架时，选用的材料主要是低合金高强度结构钢，这种钢不同钢牌号的抗拉强度特性虽有所不同，但是它们的弹性模量E、材料密度ρ和泊松比μ这些物理特性是相同的，因此在对液压支架进行有限元分析时可以选用相同的材料属性。ANSYS中定义材料及属性时，设置弹性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，在对截面属性进行定义时，选用的是各向同性、均匀、线性弹性性质的材料，然后赋予相应的部件这种截面属性。本文选用的钢板材料为Q550.

1.3 载荷和边界条件

对液压支架进行强度加载实验，其试验载荷是立柱分别对顶梁柱窝和底座柱窝施加的作用力。在液压支架的实际工作过程中，它们之间的接触是在不断变化的，导致无法准确地定义载荷的具体值。而在模拟加载试验时，通常对这种复杂的接触关系简化，使力均匀地作用在各个柱窝面上。同时，为了在分析时能简化计算，还要假设液压支架的前、后排立柱的倾角相等。

ZZ8000/17/32型四柱支撑掩护式液压支架的工作阻力为8 000 kN，作用到每个立柱上的作用力均为2 000 kN. 在顶梁偏载的工况下，外载荷为1.1倍的额定工作阻力，此时的立柱倾角为17°，则应在顶梁柱窝面施加的外载荷为：

P水1=1.1Pesinθ=643.22 kN

(1)

P垂1=1.1Pecosθ=2 103.87 kN

(2)

在顶梁扭转工况时，外载荷为1.2倍的额定工作阻力(Pe)，此时的立柱倾角为23°，则应在顶梁柱窝面施加的外载荷为:

P水2=1.2Pesinθ=937.75 kN

(3)

P垂2=1.2Pecosθ=2 209.21 kN

(4)

2 模拟计算

本文主要针对顶梁偏载、顶梁扭转、底座扭转这3种工况来进行模拟加载试验，这3种工况下垫块的施加位置见表1.

2.1 顶梁偏载

表1 各种工况下垫块加载位置及尺寸表

注：a=150 mm，b=200 mm，c=300 mm，d=(20～50)mm(垫块相关尺寸)

顶梁偏载是一种比较危险的工况，试验时垫块位置的放置参照表1. 在边界条件的处理中，将垫块与顶梁进行绑定约束，并约束垫块上UX、UY、UZ方向的自由度，同时约束底座上UY方向的自由度，并对顶梁和底座柱窝面按计算载荷施加载荷，求解结果见图1，图2.

图1 顶梁偏载位移云图

图2 顶梁偏载应力云图

从图1可以看出，当顶梁受到偏载力时，最大位移量为4.002 1 mm，发生在顶梁前端。从图2中可以看出，在顶梁偏载工况下，最高等效应力为177 MPa，发生在掩护梁上。但是支架整体所承受应力和位移变化情况都不大，整机处于安全状态，不会产生结构的破坏。

2.2 顶梁扭转

垫块位置的放置参照表1. 在边界条件中，垫块与顶梁采用绑定约束，约束垫块上UX、UY、UZ方向的自由度，同时约束底座上UY方向的自由度，利用耦合法处理销轴的连接关系。对顶梁和底座柱窝面按计算载荷施加载荷，求解结果见图3,图4.

图3 顶梁扭转位移云图

图4 顶梁扭转应力云图

从图3可以看出，当顶梁受到扭转载荷时，最大位移变形量为2.516 3 mm，发生在底座处。从图4可以发现，应力最大值位于顶梁的上表面和垫块接触的地方，为355.37 MPa,顶梁是安全的，但是在前后连杆处的最大应力超过了材料的屈服极限，可以对前后连杆选用高强度钢避免发生损坏。

2.3 底座扭转

垫块位置的放置参照表1. 在边界条件中，垫块与底座面采用绑定约束，约束垫块上UX、UY、UZ方向的自由度，同时约束顶梁上表面UY方向的自由度，其余约束类似，并对顶梁和底座的柱窝面施加载荷。求解结果见图5,图6.

图5 底座扭转位移云图

图6 底座扭转应力云图

在底座受到扭转的工况下，从图5可以得出，支架的最大位移变形量为5.388 8 mm，出现在顶梁， 这和实际情况是相符合的。从图6可以得出，应力最大值为701.1 MPa，出现在底座的垫块放置处。很明显最大应力值超过了材料的屈服极限550 MPa，支架容易出现损坏，可以适当增加底座底板的厚度，采用高强度钢避免这种现象的发生。

3 计算结果分析

总结以上3种工况下的位移云图和应力云图可以发现，液压支架的最高应力表现为区域性和局部性，有出现应力集中现象。在施加的垫块位置和销轴连接位置应力集中的现象更加明显。在顶梁扭转工况下，前后连杆处容易发生损坏，可以选用高强度钢来避免这种现象的发生。在底座扭转工况下，最大应力值超过了材料的屈服极限，可以适当增加底座底板的厚度，采用高强度钢来避免支架损坏。

4 结 论

文中利用ANSYS有限元分析软件对支架进行强度加载试验模拟，通过对垫块施加约束将垫块作为边界条件来处理，将超静定范畴的问题转化为静定问题，进而得到支架在不同工况下的位移、应力变形规律。通过Pro/E对支架建立三维模型并对其仿真运动，其仿真结果比较接近支架的实际运动过程，对支架的改进提供指导。

参 考 文 献

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会GB25974.1-2010煤矿用液压支架第1部分:通用技术条件[S].2011-06-01.

[2] 彭 霖. 液压支架静力学与运动学分析以及优化设计[D].武汉：华中科技大学,2015.

[3] 何文斌,李菊丽,李立伟. ANSYS 在液压支架优化设计中的应用[J].机械设计与制造，2017,06,170-172.

[4] 张悦刊. 基于虚拟样机技术的液压支架设计方法研究[D]. 青岛：山东科技大学,2016.

[5] 王忠宾，赵啦啦，李舒斌，等.支撑掩护式液压支架的优化设计[J].重庆大学学报，2014,32(9):1037-1042.

[6] 彭 霖. 液压支架静力学与运动学分析以及优化设计[D]. 武汉：华中科技大学,2009.