岳祥云

（晉能集團(tuán)大同公司煤機(jī)修造分公司， 山西 大同 037000）

引言

近年來(lái)隨著我國(guó)煤炭開采行業(yè)以及自動(dòng)化工程裝備的發(fā)展，礦用液壓支架得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)液壓支架的智能化、自動(dòng)化水平也在不斷提高[1]。但是由于企業(yè)追求效益，設(shè)備常常處于超負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。為了做到液壓支架的安全與經(jīng)濟(jì)效益兩方面的發(fā)展，因此有必要從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度研究入手，開展支架強(qiáng)度分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究[1]。

1 礦用液壓支架的組件

以BC520-25型液壓支架為例，其結(jié)構(gòu)主要由以下幾部分組成：頂梁結(jié)構(gòu)、底座、支撐柱、防護(hù)裝置、立柱以及各種連桿、液壓控制系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等部件[2]。如圖1所示，為一般常用液壓支架的組成結(jié)構(gòu)示意圖。

根據(jù)液壓支架主要零部件功能劃分，可將各部件劃分為四類：即控制系統(tǒng)、承載部件、執(zhí)行單元、以及輔助設(shè)備。其中控制組件主要包括：油缸、各種液壓閥、六合一控制器等組成；承載結(jié)構(gòu)主要包括：頂梁、底座支撐桿等結(jié)構(gòu)，涉及到結(jié)構(gòu)的靜態(tài)安全性的部件。輔助設(shè)備主要包括：防護(hù)裝置、照明裝置、推移裝置等[3]。在工作時(shí)，首先是通過(guò)多路控制器對(duì)各個(gè)液壓閥進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)液壓缸對(duì)承載部件的驅(qū)動(dòng)控制，由承載部件完成各個(gè)動(dòng)作，各個(gè)系統(tǒng)部件之間協(xié)同配合完成工作。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 液壓支架分析模型的建立

根據(jù)現(xiàn)有某型號(hào)液壓支架工程圖，采用NX12.0軟件創(chuàng)建液壓支架的三維模型。模型中首先是簡(jiǎn)化了一些不影響應(yīng)力分析的細(xì)小特征，如開孔、圓角等。其次根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力分析情況，簡(jiǎn)化立柱結(jié)構(gòu)，只需要在頂梁下側(cè)與立柱相互作用的地方施加相應(yīng)的載荷。因?yàn)榱⒅氖芰η闆r較為簡(jiǎn)單，可以簡(jiǎn)化為立柱軸向載荷來(lái)施加于模型上[4]。模型簡(jiǎn)化后包括：頂梁結(jié)構(gòu)、前后連桿、底座、千斤頂、防護(hù)梁等主要承載結(jié)構(gòu)，如圖2為建立的三維模型。液壓支架的幾項(xiàng)主要參數(shù)參見(jiàn)表1所示。

圖2 液壓支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

表1 液壓支架參數(shù)

將建立的三維實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中創(chuàng)建有限元分析模型，需先對(duì)模型進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)定，然后劃分網(wǎng)格。液壓支架整體采用Q460材料，已知Q460材料密度ρ=7 850 kg/m3，彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3。由于模型對(duì)于網(wǎng)格的要求并不高，所以選擇四面體網(wǎng)格，采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分法對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元模型一共劃分為95 421個(gè)單元，包括521 683個(gè)節(jié)點(diǎn)[5]。

3 載荷工況

液壓支架的載荷工況的選取主要依據(jù)國(guó)標(biāo)GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架第一部分通用技術(shù)條件》執(zhí)行，由于篇幅所限，本文只列出了兩種最為典型的強(qiáng)度試驗(yàn)分析工況，分別為頂梁扭轉(zhuǎn)工況、頂梁偏載荷工況。

在扭轉(zhuǎn)工況下進(jìn)行強(qiáng)度分析時(shí)，試驗(yàn)壓力區(qū)1.2倍工作壓力，同時(shí)支架高度為最大高度減去總行程的1/3。扭轉(zhuǎn)工況墊塊所在位置如圖3所示，該圖為頂梁的正上方向俯視圖，只需要說(shuō)明墊塊在頂梁頂面的位置示意圖，所以以單一頂梁俯視圖表示墊塊位置。同理得到偏載工況下，試驗(yàn)壓力取1.2倍工作壓力載荷，液壓支架的高度為最小高度值加上400 mm，如圖4所示，為偏載工況下墊塊位置示意圖。

圖3 扭轉(zhuǎn)工況墊塊位置示意圖（單位：mm）

圖4 偏載工況墊塊位置示意圖（單位：mm）

在不同工況下應(yīng)力分析計(jì)算中，需對(duì)模型設(shè)定相應(yīng)的約束條件。圖3、圖4中墊塊被當(dāng)作對(duì)于液壓支架受到的約束，其他結(jié)構(gòu)部位設(shè)置模擬真實(shí)的接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15。液壓支架結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置個(gè)部件之間的銷軸連接關(guān)系，兩種工況下計(jì)算壓力均為1.2倍工作壓力，即6 400×1.2=7 680 kN。

4 強(qiáng)度分析

有限元模型前處理完成后，分別對(duì)兩種工況進(jìn)行計(jì)算，圖5為液壓支架承受偏心載荷時(shí)的有限元分析應(yīng)力圖，圖6為液壓支架承受扭轉(zhuǎn)載時(shí)的有限元分析應(yīng)力圖。根據(jù)分析結(jié)果，在偏載荷工況下，應(yīng)力最大值為409.5 MPa，最大應(yīng)力值點(diǎn)位于液壓支架上頂板與立柱連接處，接近材料的屈服極限。同理可以看到，在扭轉(zhuǎn)載荷工況下最大應(yīng)力值為809.2 MPa，最大應(yīng)力值點(diǎn)位于頂梁上柱窩位置。

根據(jù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的分析，在液壓支架的整體強(qiáng)度足夠，在扭轉(zhuǎn)、偏載工況中應(yīng)力集中比較明顯的區(qū)域在支撐立柱結(jié)構(gòu)與頂梁連接區(qū)域，應(yīng)使用筋板進(jìn)行加強(qiáng)，底座、后連桿屬于強(qiáng)度余量較足區(qū)域，可以做適當(dāng)減重設(shè)計(jì)?；谟邢拊?jì)算求解液壓支架在不同工況下的應(yīng)力分布情況，比較直觀清楚地了解結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度狀況。能夠確定液壓支架存在的潛在強(qiáng)度薄弱區(qū)域，從而有針對(duì)性的對(duì)液壓支架的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，更為有效地提升液壓支架結(jié)構(gòu)可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

圖5 偏載工況應(yīng)力（MPa）示意圖

圖6 扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力（MPa）示意圖

5 結(jié)論

1）液壓支架在承受扭轉(zhuǎn)工況時(shí)應(yīng)力值大于偏載工況，說(shuō)明扭轉(zhuǎn)載荷更加危險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值接近材料屈服極限，容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題。

2）扭轉(zhuǎn)工況與偏載工況的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均顯示，最大應(yīng)力區(qū)域來(lái)自支撐立柱與支架頂梁連接處，所以在日常使用應(yīng)注意排除。

3）提出設(shè)計(jì)該井意見(jiàn)，在支撐立柱與支架頂梁連接處增加橫線連接筋板，以緩解該處應(yīng)力集中情況，同時(shí)可以考慮從底座與后連桿區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減輕結(jié)構(gòu)重量。