高 虎

（棗莊科技職業(yè)學院，山東棗莊 277599）

0 引言

液壓支架一種重要的機械工程支護設備，在礦產(chǎn)開采、巷道施工、橋梁建設等領域有著廣泛的應用[1]。安全性和穩(wěn)定性是液壓支架最重要的性能要求，是相關企業(yè)高效生產(chǎn)的關鍵保障。目前，國內(nèi)液壓支架的研發(fā)技術仍落后于國外先進水平，主要以較高的安全系數(shù)為設計依據(jù)，對于執(zhí)行機構(gòu)或承載部件的動態(tài)特性[2-5]尚不夠重視。根據(jù)液壓支架的工作原理可知，支撐體系為連桿機構(gòu)。在產(chǎn)品研發(fā)方面，多數(shù)采用物理樣機模型來校驗運動機構(gòu)是否發(fā)生干涉或者強度不足等問題。通過實驗方式獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)雖然具有良好的可靠性[6]，但是對于新產(chǎn)品研發(fā)往往存在一定的盲目性。為確保產(chǎn)品具有較高的安全系數(shù)，承載部件的選取往往會導致局部不合理。

為此，本文采用有限元方法對液壓支架的關鍵部件進行仿真分析。有限元分析是一種有效地工程設計和分析手段，在處理復雜工作條件具有較高的計算精度[7-9]，對各類載荷的適應能力良好，是一種有效的CAE 研究手段，逐步成為產(chǎn)品研發(fā)、優(yōu)化再造、性能校核等工程研究不可缺少的技術方案。目前，有限元計算軟件類型較多，其中ANSYS 在國內(nèi)的應用率和認可程度最高，經(jīng)過多次版本更新，逐步拓展功能，能夠完成強大的數(shù)值計算。有限元分析方法的應用可大大縮減產(chǎn)品研發(fā)周期，確保設計的科學性和合理性。

1 液壓支架工作原理及功能分析

1.1 支架類型與特點

液壓支架的結(jié)構(gòu)較為復雜，組成部件較多，根據(jù)機械結(jié)構(gòu)和工作原理可分為：支撐頂梁、堅固底座、推移橫架、液壓立柱、承載梁等。根據(jù)不同工作環(huán)境，衍生出眾多液壓支架類型和結(jié)構(gòu)。目前，工程上應用較多的液壓支架主要有3 種類型，包括支撐式、掩護式和支撐掩護式支架。

（1）支撐式液壓支架

該類型的液壓支架是一種早期結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在支撐力的提升，在一些硬質(zhì)頂板的支護方面有著良好的工作效果。得益于強大的支撐力，能夠顯著抵抗周期性沖擊明顯的巖層。支撐式液壓支架分為兩種結(jié)構(gòu)形式：節(jié)式和垛式。兩者的區(qū)別主要在于支架前梁的長度，而且支柱的垂直狀態(tài)需要根據(jù)支撐力的預設來設定。液壓立柱與頂梁相互協(xié)同工作，對于支護空間的調(diào)節(jié)也相對簡單。若巖層出現(xiàn)垮落，則能夠控制垮落方向在支架后方，避免二次事故。但是，該類型支架對于橫向載荷的支撐相對較差。

（2）掩護式液壓支架

相比支撐式液壓支架，其頂梁的尺寸相對較小，因此能夠有效地提供橫向支撐力，對于復雜巷道的支護效果較好。掩護式液壓支架的自由度相對較高，因此在靈活性較高巖層環(huán)境下能夠獲得更好的運動參數(shù)。但是，該類型的液壓支架對于生產(chǎn)規(guī)模有著較強的限制，運行的阻力較大，大范圍內(nèi)使用存在較大難度。

（3）支撐掩護式支架

該類型的液壓支架能夠有效地將前兩種支架進行結(jié)合，能夠在橫向和垂向方向均獲得良好的支撐力。支撐掩護式液壓支架的結(jié)構(gòu)特點較為鮮明，其關鍵的四連桿機構(gòu)主要位于巷道的采空區(qū)位置，角度控制方便，即使在較大的傾角條件下仍能夠保持較高的穩(wěn)定性。但是該類型的液壓支架研發(fā)成本和制造成本較高，體積相對較大，在實際工程上的運輸、裝配、移架等工作的難度較大，因此在環(huán)境要求較高或貴重金屬礦產(chǎn)開發(fā)時的應用較多。

1.2 功能機理分析

液壓支架屬于復雜的機電液一體化設備，動力來源為液壓系統(tǒng)，在增壓平臺的作用下實現(xiàn)不同方向上的壓力載荷，同時與其它支護或開采設備協(xié)同運行，從而確保開采面的安全性。液壓支架類型的選取需要根據(jù)實際的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。液壓支架在工作時，除了對巷道圍巖進行特定的支護，還將有效地緩解相關部件產(chǎn)生的振動。因此，液壓支架的分析設計除了強度之外，還需要對底座等關鍵零件進行模態(tài)分析。由于液壓支架承受的載荷較為復雜，部件較多，功能設計考慮的因素除了基本的載荷和位移，還還包括巖層傾角、巷道高度等外部因素。液壓支架的功能設計主要采用類比法，即針對主流支架結(jié)構(gòu)參數(shù)進行反復對比分析，將功能設計與選型設計相結(jié)合，最終得出適應能力最強的機械結(jié)構(gòu)。隨著當代分析設計方法的發(fā)展和應用，通過計算機進行輔助分析成為結(jié)構(gòu)校驗的關鍵工具之一。

2 液壓支架的有限元分析

2.1 研究方案

有限元是機械工程領域的有效分析工具，其能夠?qū)碗s的物理現(xiàn)象進行簡單的數(shù)學化，從而實現(xiàn)目標值的搜索。有限元計算本質(zhì)上為迭代運算，是對離散數(shù)學方程的近似求解。離散方程組的數(shù)量是決定有限元分析精度和效率的關鍵因素，微分方程的離散形式和求解方法對于求解結(jié)果的可靠性也有重要的影響。對于液壓支架的完整分析計算而言，其關鍵步驟包括有限元模型的建立、載荷類型分析、材料屬性施加、網(wǎng)格劃分、載荷與邊界條件定義等。其中，載荷與邊界條件是有限元分析的難點，對于復雜的載荷需要通過力學分析進行等效和簡化。在靜力學分析中，要求自由度為0，但是可以添加慣性載荷。在網(wǎng)格劃分階段，需要根據(jù)有限元模型的結(jié)構(gòu)特點進行選取有效的單元類型[10]。復雜結(jié)構(gòu)以四面體網(wǎng)格為主，否則將出現(xiàn)較大的網(wǎng)格畸變問題，嚴重影響計算的精度。在后處理方法，有限元軟件ANSYS 能夠針對用戶要求，導出不同的云圖或表單數(shù)據(jù)，有效地查看載荷響應效果，比如變形、應力、應變、反作用力等。

2.2 整體強度特性分析

液壓支架的強度設計在國家標準和行業(yè)標準內(nèi)均有著嚴格的要求，而且對于不同類型的工作環(huán)境和部件的安全性能要求不同。為了確保整體液壓支架分析的可靠性，在載荷施加方面，文中對頂梁選用扭轉(zhuǎn)載荷，兩側(cè)設置為集中載荷。對于不同的扭轉(zhuǎn)方向，均通過自由度的約束來實現(xiàn)。建立液壓支架的整體裝配有限元模型后，可進行網(wǎng)格劃分。有限元分析軟件內(nèi)設置有3 種網(wǎng)格劃分模式：自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分和掃掠網(wǎng)格劃分。由于模型為裝配圖結(jié)構(gòu)，可針對模型的復雜或規(guī)則程度進行合理選擇，最終的出網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分結(jié)果

液壓支架整體的應力響應結(jié)果如圖2 所示，可以看出：最大應力位置分布在底座前段和頂板兩側(cè)位置，計算出的最大應力值為779.821 MPa，未超過材料的屈服極限；各個承載部件的安全性均較高，應力分布未出現(xiàn)明顯的不連續(xù)性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

圖2 整體應力云圖

在巨大的支撐力條件下，底座呈現(xiàn)出良好的載荷特性，得益于結(jié)構(gòu)的對稱性，應力分布同樣具有對稱性特點。較大的應力位置為主筋和前端面，距離柱窩較近的位置存在具有較大現(xiàn)象，未超過材料的屈服極限。相比底座，其他位置的應力和變形相對較小，總體的強度特性良好。當出現(xiàn)異常載荷時，在頂梁位置設置非對稱結(jié)構(gòu)，計算得出底座的載荷響應。結(jié)果表明，在非對稱載荷作用下，載荷呈現(xiàn)的應力分布差別不大，最大應力仍分布在前端。底座靜載荷分析能夠有效滿足最大支撐力要求，但是對于不穩(wěn)定圍巖條件，應當采用動態(tài)分析方案。因此，對底座結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，能夠有效地得出不同激振情況下的動力響應[11]，對于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有著關鍵的作用。

2.3 底座模態(tài)特性分析

液壓支架的振動和噪聲是難以避免的外部因素，若外部激振頻率與自身機械結(jié)構(gòu)接近時，將對整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯的影響[12]。底座的模態(tài)分析同樣采用有限元分析軟件ANSYS 實現(xiàn)，根據(jù)振型結(jié)果判定結(jié)構(gòu)是否存在薄弱情況。將底座的有限元模型簡化后進行模態(tài)計算，將對模型剛度影響較小的結(jié)構(gòu)刪除，比如倒角、圓角和尺寸較小的槽結(jié)構(gòu)。在ANSYS Workbench 中，采用自由網(wǎng)格劃分方法，選用較大的相關度，得出底座元件的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。其中單元數(shù)為365 489，節(jié)點數(shù)為562 805。

圖3 底座網(wǎng)格劃分

將立柱接觸面進行固定約束，在有約束條件下，對底座的模態(tài)特性進行計算。根據(jù)有限元模態(tài)計算原理可知，固有頻率的數(shù)量為無窮多個，隨著階數(shù)的增大，計算誤差隨之增大。為此，選取前15 階模態(tài)作為分析目標。其中，前兩階的振型云圖如圖4 所示。根據(jù)分析結(jié)果可知：底座結(jié)構(gòu)的固有頻率主要分為3 個階段，其中1～7 階固頻在200～400 Hz 之間；8～12 階固頻在500～600 之間；13～15 階固頻在700～800 之間；低階模態(tài)的穩(wěn)定性較高，最大振型位移位置位于底座的前端面，與強度分析結(jié)果一致；在振型分析結(jié)果中，位移量并非真實變形效果，而是振動響應幅值的相對量。液壓支架的底座作為關鍵的承載部件，其剛度和強度的主要薄弱環(huán)節(jié)在于前端面。為確保整體的承載效果，可將前端面的厚度增大，后端面的厚度減小，可以在確保總體性能不降低的前提下實現(xiàn)輕量化設計。液壓支架的總體強度分析和關鍵部件的剛度分析是機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要依據(jù)，也是液壓支架產(chǎn)品研發(fā)的新手段。

圖4 底座振型云圖

3 結(jié)束語

液壓支架作為機械工程和礦業(yè)工程領域內(nèi)不可缺少的關鍵支護設備，其各方面的性能非常重要，是確保安全生產(chǎn)的保障。為擺脫傳統(tǒng)試驗研發(fā)方案帶來的高成本、長周期和反復性等問題，文中運用有限元方法，基于ANSYS 軟件對液壓支架的強度和關鍵部件的模態(tài)特性進行了仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果可知，液壓支架的總體強度良好，最大應力低于材料的屈服極限；由于液壓支架為對稱結(jié)構(gòu)，應力的連續(xù)性較為顯著；底座的前端面結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)化空間，可將該位置結(jié)構(gòu)進一步加固，并將其它結(jié)構(gòu)進行輕量化，實現(xiàn)性能的進一步優(yōu)化。在模型轉(zhuǎn)換方面，文中采用軟件平臺內(nèi)部接口，避免格式轉(zhuǎn)變時存在數(shù)據(jù)丟失等問題。針對模型特點，對于后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可采用拓撲形式，便于研發(fā)成本的進一步降低。