摘要:針對(duì)液壓支架使用現(xiàn)狀，通過三維建模軟件PRO/E 和ANSYS 軟件的無縫連接方式，將液壓支架的已建模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS 有限元分析軟件中。針對(duì)ZF3700/16/26 型礦用液壓支架關(guān)鍵部件頂梁進(jìn)行強(qiáng)度數(shù)值模擬，找到頂梁的力學(xué)規(guī)律，對(duì)比《液壓支架通用技術(shù)條件》提出支架檢測的合理化方向。

關(guān)鍵詞:ANSYS；液壓支架；數(shù)值模擬；頂梁

前言

液壓支架是維持煤礦井下連續(xù)安全作業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備，廣泛的在煤炭礦井中應(yīng)用。對(duì)煤炭生產(chǎn)中支架的壓死、散架、零部件損壞等問題進(jìn)行力學(xué)性能分析【1】。我國的液壓支架檢測標(biāo)準(zhǔn)歷經(jīng)28年的發(fā)展，已形成了MT312-2000標(biāo)準(zhǔn)，本文將利用有限元分析軟件 ANSYS 結(jié)合三維造型軟件Pro/E 進(jìn)行三維建模和有限元分析，對(duì)ZF3700/16/26型液壓支架主體部件頂梁進(jìn)行加載試驗(yàn)的數(shù)值模擬，得出不同工況下的力學(xué)模擬的位應(yīng)力云圖和位移云圖，依據(jù)云圖數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了支架整體結(jié)構(gòu)的合理性，并對(duì)其薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了指明，對(duì)液壓支架出廠檢測提供理論依據(jù)。

1.有限單元模型建立

液壓支架頂梁是由對(duì)多塊鋼板焊接而成得【2-3】，頂梁作為液壓支架工作是直接與煤礦開采工作面頂板接觸的部件，其力學(xué)性能尤在整機(jī)系統(tǒng)中尤為關(guān)鍵，其結(jié)構(gòu)主要包括頂板、柱窩、筋板、內(nèi)(外)主筋板彎板、及蓋板組成。本論文以ZF3700/16/26型液壓支架頂梁作為具體研究對(duì)象，建立PRO/E三維實(shí)體模型如圖1所示，應(yīng)用無縫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)，將其導(dǎo)入ANSYS軟件中并以solid92四面體10節(jié)點(diǎn)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到其有限單元模型如圖2所示。

圖1.頂梁proe模型圖2.頂梁有限元模型 圖3.頂梁端載應(yīng)力云圖 圖4.頂梁端載位移云圖

2.約束施加及數(shù)值模擬

頂梁強(qiáng)度試驗(yàn)以1.2倍額定工作阻力進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)，墊塊位置設(shè)置依《液壓支架通用技術(shù)條件》進(jìn)行，即調(diào)整并固定墊塊位置為端載、偏載和集中載荷。

2.1頂梁端載模擬分析

對(duì)頂梁兩端集中載荷加載試驗(yàn)的強(qiáng)度分析，對(duì)頂梁的外載荷由柱窩進(jìn)行加載。加載試驗(yàn)的約束墊塊位置為全約束，并且控制 x，y，z 方向自由度是零，計(jì)算結(jié)果分別得到應(yīng)力云圖（圖3）和位移云圖（圖4）。

由圖3可知，在頂梁端載試驗(yàn)的最大應(yīng)力為 335.5 Mpa，位于支架頂梁主體外側(cè)板及頂梁護(hù)幫板的內(nèi)側(cè)板與柱窩接觸處；最大位移為1.67 mm，位于頂梁中部頂板及附近外側(cè)板。頂梁最大變形在條件規(guī)定范圍內(nèi)，同時(shí)最大應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力，安全系數(shù)為 1.04，滿足支架強(qiáng)度要求。

2.2頂梁偏載模擬分析

對(duì)頂梁偏載加載試驗(yàn)的強(qiáng)度分析，對(duì)頂梁墊塊進(jìn)行全約束設(shè)置，控制 x，y，z 方向自由度為零，對(duì)頂梁柱窩施加外力。得到其應(yīng)力云圖（圖5）和位移云圖（圖6），圖5顯示最大應(yīng)力為 332.7 Mpa，位于主體頂梁柱窩耳板及柱窩附近筋板處，并出展現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中效應(yīng)；圖6顯示最大位移為3.196 mm，位于頂梁護(hù)幫板外沿。頂梁最大變形在條件規(guī)定范圍內(nèi)，安全系數(shù)為 1.05，實(shí)際設(shè)計(jì)中可通過對(duì)柱窩附近蓋板焊接加強(qiáng)板，提高頂梁強(qiáng)度。

圖5.頂梁偏載應(yīng)力云圖 圖6.頂梁偏載位移云圖圖7.頂梁扭轉(zhuǎn)應(yīng)力云圖 圖8.頂梁扭轉(zhuǎn)位移云圖

2.3頂梁扭轉(zhuǎn)模擬分析

對(duì)頂梁扭轉(zhuǎn)加載試驗(yàn)的強(qiáng)度分析，對(duì)頂梁墊塊進(jìn)行全約束，控制 x，y，z 方向自由度是零，對(duì)頂梁外載荷由柱窩進(jìn)行加載【4-5】。得到其應(yīng)力云圖（圖7）和位移云圖（圖8），圖7顯示頂梁最大應(yīng)力為295.6 Mpa，位于主體頂梁前側(cè)柱窩附近的筋板處；圖8顯示支架扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)最大位移為 3.33 mm，位于頂梁護(hù)幫板外側(cè)板大尺寸處。頂梁最大變形在條件規(guī)定范圍內(nèi)，安全系數(shù)為 1.18，最大應(yīng)力滿足材料屈性的需要，滿足支架強(qiáng)度要求。

2.4頂梁集中載荷模擬分析

對(duì)頂梁集中載荷加載試驗(yàn)的強(qiáng)度分析，對(duì)頂梁墊塊進(jìn)行全約束，控制 x，y，z 方向自由度是零，并對(duì)頂梁柱窩施加載荷【6】。得到其應(yīng)力云圖（圖9）和位移云圖（圖10），圖9顯示頂梁出現(xiàn)的最高等效應(yīng)力為 142.6 MPa，位于頂梁主體與柱窩相連接附近筋板處。圖10顯示在頂梁集中載荷試驗(yàn)中變形最大位移為 1.84 mm。根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，頂梁在試驗(yàn)中在這種試驗(yàn)條件下，最不容易破壞，安全系數(shù)為 2.45，頂梁的應(yīng)力變化不大，滿足支架強(qiáng)度要求。

通過對(duì)液壓支架主體結(jié)構(gòu)頂梁的仿真分析，討論總結(jié)得到：

(1) 在整個(gè)有限元分析過程中，不同工況的加載條件下頂梁筋板的應(yīng)力值都比較高；

(2) 對(duì)應(yīng)力集中比較嚴(yán)重的頂梁結(jié)構(gòu)可以直接應(yīng)用強(qiáng)度較高的鋼板進(jìn)行焊接；

(3) 運(yùn)用有限元法進(jìn)行理論計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行可行的簡化處理，合理的劃分網(wǎng)格能夠加快運(yùn)算速度，提高計(jì)算精度；合理的設(shè)置邊界條件，使得各工況的加載試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

3.結(jié)論

(1) 不同工況的加載條件中，ZF3700/16/26型液壓支架最大應(yīng)力都體現(xiàn)了局部應(yīng)力集中現(xiàn)象；

(2) 頂梁的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在頂梁端載試驗(yàn)中，最大應(yīng)力為 335 Mpa，位于支架頂梁主體外側(cè)板及頂梁護(hù)幫板的內(nèi)側(cè)板與柱窩接觸附近；在液壓之間檢測時(shí)應(yīng)特別注意對(duì)該部分的考核和加載測試。

4.參考文獻(xiàn)

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作者簡介

梁二君（1985-），男，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，從液壓支架檢測工作。