宋 亮

（陽泉煤業(yè)（集團）有限責任公司大陽泉分公司，山西 陽泉 045000）

引言

液壓支架主要被用于井下煤炭開采過程中對巷道的支撐，方便采煤機的移動或煤炭資源的運輸，對保障煤炭的安全生產(chǎn)具有重要作用。但液壓支架在實際使用中也常出現(xiàn)各類故障，常見的故障包括底座塌陷、頂梁結(jié)構破壞、液壓撐桿破壞等故障?，F(xiàn)基于已有的ZC10000型液壓支架，分析其底座在兩種工況下應力分布情況，可為液壓支架底座的結(jié)構優(yōu)化設計提供有力參考[1]。

1 ZC10000型液壓支架底座結(jié)構

ZC10000型液壓支架底為鋼制焊接結(jié)構，在工作狀態(tài)主要承受來自頂板所傳遞的載荷，底座承受的載荷較大，因此要求底座應具有較高的強度和剛度。底座除了對結(jié)構進行支撐外，還作為液壓支架的走行機構，為了減小其運行過程中的助力和適應底部高低不平的地形，底座前端設計為滑撬形。

同時液壓支架底座還設置有安裝立柱、液壓裝置等設備空間，ZC10000型液壓支架底座采用分式底座結(jié)構形式，底座長度為3 400 mm，寬為1 610 mm，底座結(jié)構均采用厚鋼板板材焊接而成。該型液壓支架底座分為左右兩個坐箱，兩坐箱的前端采用彈簧鋼連接，底座的柔性增加，同時整體性降低，其結(jié)構、外形如圖1所示[2]。

圖1 底座機構與外形圖（單位：mm）

2 Workbench簡介

自ANSYS7.0及之后的ANSYS版本開始，ANSYS公司推出了簡化通用版ANSYS Workbench，并且目前均已發(fā)展至2020 R1版本。ANSYS Workbench是為了適應現(xiàn)在仿真分析行業(yè)激烈的產(chǎn)品競爭開發(fā)出來的，該軟件具有操作簡單、易于學習等特點。ANSYS Workbench仿真平臺可實現(xiàn)對復雜機械系統(tǒng)的結(jié)構靜力學、結(jié)構動力學、剛體動力學、流體動力學、熱力學耦合場等進行分析，計算結(jié)果可靠。

基于Workbench的仿真環(huán)境與傳統(tǒng)仿真軟件比較有如下優(yōu)勢：用戶化操作界面，可操作性強，用戶可以根據(jù)需要添加已經(jīng)設置好的模塊；集成度高，Workbench不僅僅是一個求解器，其還可以進行較為復雜的前處理；可與部分CAD軟件實現(xiàn)參數(shù)化共享，直接在三維軟件中更改模型參數(shù)即可實現(xiàn)對有限元模型的更改[3]。

3 三維建模

目前三維建模軟件發(fā)展較為迅速，出現(xiàn)了多種常用的軟件如UG、SolidWorks、PRO/E、CATIA，這些軟件均各有優(yōu)勢，采用SolidWorks建立ZC10000型液壓支架三維模型，該軟件具有操作簡單，易于使用等特點，同時自身還具備參數(shù)化設計、基于特征建模、單一數(shù)據(jù)庫等優(yōu)點。參數(shù)化設計可以通過改變設計參數(shù)修改產(chǎn)品的尺寸，達到快速完成產(chǎn)品設計的目的，對結(jié)構的設計與改進具有重要意義[4]。

為了得到可靠的計算結(jié)果，首先根據(jù)液壓支架的工程圖創(chuàng)建三維模型，為避免產(chǎn)生不收斂或計算耗時過大等情況，需要對模型做簡化處理。對模型的簡化處理應不影響對液壓支架結(jié)構強度計算結(jié)果，因此模型簡化遵循如下準則：液壓支架上輔助設備安裝連接位置、連接板之類；非承載式筋板可以簡化，對于一般的小開孔、耳板等結(jié)構可以做簡化處理；焊接處焊縫強度與原材料一致，焊縫處強度未減弱，因此可以將模型視為一個整體進行建模，如圖2所示為底座三維模型[5]。

圖2 底座三維模型

4 有限元分析模型建立

4.1 材料屬性

ZC10000型液壓支架主要部件材料采用的是Q690，材料屈服強度為690 MPa，材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量2.04×105MPa，泊松比為0.3，各接觸部件之間設置接觸。

4.2 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格的處理對有限元分析計算結(jié)果影響較大，控制網(wǎng)格大小的同時需注意軟件的求解計算能力，所以應適當控制單元格大小。采用軟件自主網(wǎng)格劃分方法，設置網(wǎng)格參考尺寸為30 mm，設置網(wǎng)格網(wǎng)格畸變系數(shù)為0.9，并將單元類型設置為SOLID45實體單元。

4.3 載荷工況

液壓支架載荷結(jié)構強度分析載荷工況并形成了相關的標準，在此參照《液壓技術通用技術條件》標準，選擇頂梁偏載工況和頂梁扭轉(zhuǎn)工況兩種工況進行分析，按照標準進行加載，在此不再對其載荷加載位置做過多說明[6]。

5 計算結(jié)果

基于有限元第四強度理論對ZC10000型液壓支架底座結(jié)構進行強度分析，并根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構提出優(yōu)化改進意見，為液壓支架的結(jié)構設計提供重要的理論參考，下面分別對兩種工況下計算結(jié)果進行分析。

5.1 偏載工況

頂梁在偏載工況下應力與應變計算結(jié)果如圖3所示，根據(jù)其應力計算結(jié)果可知應力比較大的區(qū)域主要出現(xiàn)在底座與四根立柱相接觸的區(qū)域。應力最大值為553.89 MPa，最大應力值點位于底座右側(cè)板與墊塊接觸的位置。

根據(jù)底座的形變計算結(jié)果可知，底座的整體變形較小，如圖3-1所示，但底座與立柱連接耳板位置變形較大，最大位移值為18.812 mm，由此可見液壓在偏載工況作用下產(chǎn)生了比較明顯的偏載荷扭轉(zhuǎn)，在結(jié)構優(yōu)化中應對此進行結(jié)構優(yōu)化。

圖3 偏載工況計算結(jié)果

5.2 扭轉(zhuǎn)工況

如圖4所示為底座在扭轉(zhuǎn)工況下應力與應變計算結(jié)果，底座在此工況下最大應力值為509.9 MPa，最大應力值位于立柱與底座連接銷孔的連接耳板上。而底座其他位置應力均較小，說明結(jié)構在此位置存在應力集中的情況。

圖4 扭轉(zhuǎn)工況計算結(jié)果

根據(jù)4-1所示，應變計算結(jié)果可知，底座結(jié)構產(chǎn)生了明顯的扭轉(zhuǎn)，底座左側(cè)位移值明顯大于右側(cè)，最大位移值為20.252 mm，其余位置的位移均較小，在結(jié)構優(yōu)化設計應考慮底座的抗扭轉(zhuǎn)載荷作用的能力。

6 底座結(jié)構優(yōu)化改進措施

根據(jù)液壓支架的有限元計算分析結(jié)果，在兩種較惡劣的載荷工況下，底座的過橋應力集中明顯，最大應力達到553.89 MPa，同時在扭轉(zhuǎn)工況下底座的變形較大，達到了20.252 mm。因此根據(jù)計算結(jié)提出底座的結(jié)構優(yōu)化改進意見：將底座過橋加厚到50 mm，但底座側(cè)板和筋板受載較小，可將其厚度適當減小，可增加底座側(cè)板的厚度或者采用強度更高的鋼材，提高底座的抗扭轉(zhuǎn)作用。改進后底座如圖5所示。

圖5 底座優(yōu)化改進位置