陳 靜 趙麗萍 范 迅

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南省鄭州市，451191；3.鄭州煤礦機(jī)械制造技工學(xué)校，河南省鄭州市，450013）

目前液壓支架的強(qiáng)度檢驗(yàn)主要采用實(shí)際樣機(jī)試驗(yàn)，耗資巨大且只能在產(chǎn)品形成之后進(jìn)行檢驗(yàn)，不能提早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上存在的問題，無法在產(chǎn)品形成前對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)。而采用有限元分析方法，在對(duì)支架整機(jī)分析的基礎(chǔ)上，可以更精確地掌握支架的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，找出支架各部件存在的強(qiáng)度隱患，系統(tǒng)地對(duì)支架的關(guān)鍵部件進(jìn)行強(qiáng)度分析和優(yōu)化，有效地提高支架的強(qiáng)度和可靠性。

依據(jù)2011年頒布的最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB25974.1－2010煤礦用液壓支架第一部分：通用技術(shù)條件》，本文針對(duì)ZY6400／21／45型兩柱掩護(hù)式支架進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析，通過對(duì)支架的整架有限元分析，掌握支架應(yīng)力應(yīng)變等參數(shù)的分布情況，確定支架的易損結(jié)構(gòu)以及部位。

1 支架的參數(shù)

ZY6400／21／45型支架的主要參數(shù)如下：支架高度為2100～4500 mm，寬度為1420～1590 mm，中心距為1500 mm，工作阻力為6400 k N，支護(hù)強(qiáng)度為0.98～1.03 MPa，初撐力為5066 k N，泵站壓力為31.5 MPa。

2 建立支架模型

本文采用Solid Works創(chuàng)建支架的三維實(shí)體模型。首先在Solid Works的零件生成環(huán)境中利用特征造型生成ZY6400／21／45液壓支架部件的所有模型，最后按照裝配關(guān)系，對(duì)液壓支架所有部件進(jìn)行裝配，ZY6400／21／45的裝配模型見圖1。

圖1 液壓支架裝配模型

由圖1可見，ZY6400／21／45的裝配模型由3000多個(gè)零件組成，分析計(jì)算量非常龐大，需要簡(jiǎn)化模型以后才能用于有限元分析。簡(jiǎn)化后的分析模型包含以下主要承力構(gòu)件：頂梁、掩護(hù)梁和平衡千斤頂、前連桿、后連桿、底座等。去除每個(gè)構(gòu)件中不影響主體強(qiáng)度和承載的細(xì)小結(jié)構(gòu)，比如圓角、倒角以及小孔等，同時(shí)立柱的模型可以去除，因?yàn)樵囼?yàn)采用的是立柱內(nèi)加載的方式，因此立柱用沿著立柱方向的載荷代替，簡(jiǎn)化后ZY6400／21／45液壓支架的模型如圖2所示。

圖2 液壓支架裝配簡(jiǎn)化模型

3 選擇試驗(yàn)工況

液壓支架國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其強(qiáng)度試驗(yàn)的工況進(jìn)行了規(guī)定，以模擬支架在井下可能出現(xiàn)的各種受力情況，對(duì)支架進(jìn)行加載強(qiáng)度試驗(yàn)，是檢驗(yàn)支架的設(shè)計(jì)是否合理的重要方式。試驗(yàn)的工況包括：頂梁兩端集中載荷、頂梁扭轉(zhuǎn)、頂梁偏載、底座兩端集中載荷和底座扭轉(zhuǎn)等。

根據(jù)最新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，按照液壓支架的強(qiáng)度試驗(yàn)要求進(jìn)行分析，選取了較惡劣的3種工況對(duì)整架支架進(jìn)行了有限元分析。這3種工況分別是：頂梁兩端集中載荷、頂梁扭轉(zhuǎn)以及頂梁偏載。前邊兩種工況試驗(yàn)時(shí)的支架高度為支架的最大高度減去行程的1／3，第三種工況的支架高度為支架的最低高度加上300 mm。試驗(yàn)壓力對(duì)3種工況相同，均為1.2倍工作壓力，試驗(yàn)加載的墊塊位置如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 頂梁兩端集中加載的墊塊位置圖

圖4頂梁扭轉(zhuǎn)加載的墊塊位置圖

圖5 頂梁偏心加載的墊塊位置圖

圖中，a＝150 mm，b＝200 mm，c＝300 mm，d＝50 mm，分別代表強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)墊塊的寬度和位置尺寸。

4 ZY6400／21／45型支架有限元分析

4.1 加載

試驗(yàn)的方式采用內(nèi)加載，載荷為10320 k N，載荷力的作用線是沿著立柱的軸線方向，施加在柱窩的球面上。

4.2 約束

分別按照液壓支架的試驗(yàn)工況對(duì)支架添加墊塊，墊塊和頂梁、墊塊和底座之間采用真實(shí)接觸，選取摩擦系數(shù)為0.15。

液壓支架的頂梁、掩護(hù)梁、連桿等構(gòu)件之間多采用柱銷連接，如果按照其真實(shí)接觸運(yùn)算，計(jì)算量將非常巨大。由于柱銷的接觸應(yīng)力以及局部強(qiáng)度不是本次分析的重點(diǎn)，因此分析中柱銷采用了軟件提供的銷釘約束進(jìn)行代替。

4.3 劃分網(wǎng)格

選用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定單元的大小為50 mm，劃分網(wǎng)格數(shù)量為32萬個(gè)單元。

4.4 有限元分析結(jié)果

頂梁兩端集中載荷工況的有限元分析結(jié)果顯示如圖6所示。忽略由于約束造成的應(yīng)力集中，支架最大應(yīng)力為376 MPa，出現(xiàn)在支架的底座，小于屈服極限460 MPa，支架在這種工況下工作是安全的。

圖6 頂梁兩端集中載荷有限元分析結(jié)果

頂梁扭轉(zhuǎn)工況時(shí)的有限元分析結(jié)果顯示如圖7所示。支架最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂梁柱窩附近，為436 MPa，支架在這種工況下工作也是安全的。

頂梁偏載工況時(shí)的有限元分析結(jié)果顯示如圖8所示。在偏載工況時(shí)，支架的掩護(hù)梁受力最為惡劣，最大應(yīng)力出現(xiàn)在掩護(hù)梁耳板附近，為457 MPa，接近了材料的屈服極限，如圖9所示。因此，掩護(hù)梁是支架受力較大較薄弱的一個(gè)部件。

圖7 頂梁扭轉(zhuǎn)有限元分析結(jié)果

圖8 頂梁偏載工況有限元分析結(jié)果

圖9 扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)掩護(hù)梁應(yīng)力圖

5 結(jié)論

有限元分析結(jié)果顯示，支架在3種工況下，ZY6400／21／45型兩柱掩護(hù)式支架的強(qiáng)度均能滿足要求，但掩護(hù)梁在扭轉(zhuǎn)工況下， 最大應(yīng)力值達(dá)到457 MPa，接近材料的屈服極限，是支架在超載時(shí)較易損壞的部件，這與支架在實(shí)際使用時(shí)的情況是一致的。有限元強(qiáng)度分析為企業(yè)的設(shè)計(jì)工作提供了有力的支持與驗(yàn)證依據(jù)，同時(shí)為改進(jìn)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、提高掩護(hù)梁的力學(xué)性能提供了依據(jù)。

［1］中華人民共和國(guó)煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).GB 25974.1－2010煤礦用液壓支架第一部分：通用技術(shù)條件 ［S］.中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2011

［2］陳靜，劉建英.ZY12000／28／63D型液壓支架柱窩結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 ［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2012（8）

［3］劉建英.陳靜，趙麗萍.?380 mm液壓支架立柱的有限元分析 ［J］.中國(guó)煤炭，2012（4）

［4］王澤，徐亞軍，陳立民.液壓支架三維參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究 ［J］.煤礦機(jī)械，2007（1）

［5］李厚常.液壓支架的力學(xué)分析 ［J］.煤礦機(jī)械，2009（7）

［6］劉建英.ZY6400／21／45型掩護(hù)式液壓支架的模擬仿真 ［J］.礦山機(jī)械，2012（3）

［7］張建國(guó).液壓支架柱窩結(jié)構(gòu)的有限元分析及優(yōu)化［J］.中國(guó)煤炭，2012（8）

［8］曾攀.有限元分析及應(yīng)用 ［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004

［9］劉建英，劉軍.ZY6400／21／45型放頂煤液壓支架的有限元分析 ［J］.中州煤炭，2012（2）