液壓支架強(qiáng)度試驗(yàn)?zāi)M研究

張富國(guó)，趙 凱

(1. 山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 技術(shù)中心，山西 介休 032000； 2. 山西汾西礦業(yè)集團(tuán) 設(shè)計(jì)院，山西 介休 032000)

液壓支架在綜合機(jī)械化采煤中起著重要的支護(hù)作用，要為工作人員提供安全的工作環(huán)境，因此對(duì)它有較高的安全可靠性要求[1-2]. 把液壓支架運(yùn)到采煤工作面進(jìn)行強(qiáng)度安全檢查很明顯是不符合現(xiàn)實(shí)的，本文根據(jù)最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB25974.1-2010煤礦用液壓支架第1部分：通用技術(shù)條件》，通過(guò)有限元軟件對(duì)建立好的液壓支架三維模型進(jìn)行模擬加載試驗(yàn)，從而獲得液壓支架的可靠性[3].

1 加載試驗(yàn)分析

根據(jù)國(guó)家最新標(biāo)準(zhǔn)《GB25974.1-2010煤礦用液壓支架第1部分：通用技術(shù)條件》規(guī)定，對(duì)液壓支架應(yīng)進(jìn)行加載試驗(yàn)，并且試驗(yàn)應(yīng)在一個(gè)完整的支架上進(jìn)行，也允許在支架部件上或聯(lián)合作用的部件組件上進(jìn)行，加載方式為內(nèi)加載[4-5].

有限元分析(FEA)是對(duì)于結(jié)構(gòu)力學(xué)分析迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代計(jì)算方法。由于ANSYS能和其它的三維建模軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)縫結(jié)合，本文將采用ANSYSWorkbench對(duì)液壓支架進(jìn)行強(qiáng)度分析。

1.1 支架模型的合理簡(jiǎn)化

液壓支架的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，在對(duì)其進(jìn)行有限元分析時(shí)，一些細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)比如圓孔、圓角、凸臺(tái)等對(duì)支架主體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度模擬試驗(yàn)結(jié)果的影響很小，可以將其忽略掉。如果結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，將會(huì)導(dǎo)致對(duì)模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格和加載分析時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度過(guò)慢。為了提高工作效率，有必要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。分析時(shí)對(duì)支架影響不大的結(jié)構(gòu)都可以去掉，簡(jiǎn)化后的模型主要包括：底座、頂梁、掩護(hù)梁、前連桿、后連桿、立柱。這里還需要注意的是，支架的各部件都是由許多鋼板焊接而成，焊縫的質(zhì)量也直接影響著支架的強(qiáng)度，并且在以往的試驗(yàn)中，由于焊縫質(zhì)量導(dǎo)致支架損壞占了很大一部分，但是在能夠保證焊縫質(zhì)量的情況下，液壓支架工作過(guò)程中是沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，可以看成一個(gè)整體，因此在建模時(shí)將各部件建成一個(gè)整體。另外，在分析時(shí)還需要忽略銷(xiāo)軸連接處的間隙，這是因?yàn)殇N(xiāo)釘連接處存在間隙，支架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，間隙接觸部位在不斷變化，導(dǎo)致分析難度很大，因此也需要簡(jiǎn)化。

必須在規(guī)定的高度對(duì)支架進(jìn)行加載試驗(yàn)。在對(duì)頂梁進(jìn)行偏載試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)高度為支架最低高度加300 mm，其它加載試驗(yàn)的試驗(yàn)高度均為支架的最大高度減去支架行程的1/3[6]. 本文所選用液壓支架的最大高度為3 200 mm，最低高度為1 700 mm，因此，對(duì)頂梁進(jìn)行偏載實(shí)驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)高度為2 000 mm，其它試驗(yàn)高度均為2 700 mm. 所以，在將Pro/E建立的模型導(dǎo)入到ANSYS之前，需將模型分別調(diào)至2 000 mm、2 700 mm.

1.2 材料及屬性定義

在實(shí)際制造液壓支架時(shí)，選用的材料主要是低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，這種鋼不同鋼牌號(hào)的抗拉強(qiáng)度特性雖有所不同，但是它們的彈性模量E、材料密度ρ和泊松比μ這些物理特性是相同的，因此在對(duì)液壓支架進(jìn)行有限元分析時(shí)可以選用相同的材料屬性。ANSYS中定義材料及屬性時(shí)，設(shè)置彈性模量E=210 GPa，泊松比μ=0.3，在對(duì)截面屬性進(jìn)行定義時(shí)，選用的是各向同性、均勻、線性彈性性質(zhì)的材料，然后賦予相應(yīng)的部件這種截面屬性。本文選用的鋼板材料為Q550.

1.3 載荷和邊界條件

對(duì)液壓支架進(jìn)行強(qiáng)度加載實(shí)驗(yàn)，其試驗(yàn)載荷是立柱分別對(duì)頂梁柱窩和底座柱窩施加的作用力。在液壓支架的實(shí)際工作過(guò)程中，它們之間的接觸是在不斷變化的，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確地定義載荷的具體值。而在模擬加載試驗(yàn)時(shí)，通常對(duì)這種復(fù)雜的接觸關(guān)系簡(jiǎn)化，使力均勻地作用在各個(gè)柱窩面上。同時(shí)，為了在分析時(shí)能簡(jiǎn)化計(jì)算，還要假設(shè)液壓支架的前、后排立柱的傾角相等。

ZZ8000/17/32型四柱支撐掩護(hù)式液壓支架的工作阻力為8 000 kN，作用到每個(gè)立柱上的作用力均為2 000 kN. 在頂梁偏載的工況下，外載荷為1.1倍的額定工作阻力，此時(shí)的立柱傾角為17°，則應(yīng)在頂梁柱窩面施加的外載荷為：

P水1=1.1Pesinθ=643.22 kN

(1)

P垂1=1.1Pecosθ=2 103.87 kN

(2)

在頂梁扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，外載荷為1.2倍的額定工作阻力(Pe)，此時(shí)的立柱傾角為23°，則應(yīng)在頂梁柱窩面施加的外載荷為:

P水2=1.2Pesinθ=937.75 kN

(3)

P垂2=1.2Pecosθ=2 209.21 kN

(4)

2 模擬計(jì)算

本文主要針對(duì)頂梁偏載、頂梁扭轉(zhuǎn)、底座扭轉(zhuǎn)這3種工況來(lái)進(jìn)行模擬加載試驗(yàn)，這3種工況下墊塊的施加位置見(jiàn)表1.

2.1 頂梁偏載

表1 各種工況下墊塊加載位置及尺寸表

注：a=150 mm，b=200 mm，c=300 mm，d=(20～50)mm(墊塊相關(guān)尺寸)

頂梁偏載是一種比較危險(xiǎn)的工況，試驗(yàn)時(shí)墊塊位置的放置參照表1. 在邊界條件的處理中，將墊塊與頂梁進(jìn)行綁定約束，并約束墊塊上UX、UY、UZ方向的自由度，同時(shí)約束底座上UY方向的自由度，并對(duì)頂梁和底座柱窩面按計(jì)算載荷施加載荷，求解結(jié)果見(jiàn)圖1，圖2.

圖1 頂梁偏載位移云圖

圖2 頂梁偏載應(yīng)力云圖

從圖1可以看出，當(dāng)頂梁受到偏載力時(shí)，最大位移量為4.002 1 mm，發(fā)生在頂梁前端。從圖2中可以看出，在頂梁偏載工況下，最高等效應(yīng)力為177 MPa，發(fā)生在掩護(hù)梁上。但是支架整體所承受應(yīng)力和位移變化情況都不大，整機(jī)處于安全狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的破壞。

2.2 頂梁扭轉(zhuǎn)

墊塊位置的放置參照表1. 在邊界條件中，墊塊與頂梁采用綁定約束，約束墊塊上UX、UY、UZ方向的自由度，同時(shí)約束底座上UY方向的自由度，利用耦合法處理銷(xiāo)軸的連接關(guān)系。對(duì)頂梁和底座柱窩面按計(jì)算載荷施加載荷，求解結(jié)果見(jiàn)圖3,圖4.

圖3 頂梁扭轉(zhuǎn)位移云圖

圖4 頂梁扭轉(zhuǎn)應(yīng)力云圖

從圖3可以看出，當(dāng)頂梁受到扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，最大位移變形量為2.516 3 mm，發(fā)生在底座處。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力最大值位于頂梁的上表面和墊塊接觸的地方，為355.37 MPa,頂梁是安全的，但是在前后連桿處的最大應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服極限，可以對(duì)前后連桿選用高強(qiáng)度鋼避免發(fā)生損壞。

2.3 底座扭轉(zhuǎn)

墊塊位置的放置參照表1. 在邊界條件中，墊塊與底座面采用綁定約束，約束墊塊上UX、UY、UZ方向的自由度，同時(shí)約束頂梁上表面UY方向的自由度，其余約束類(lèi)似，并對(duì)頂梁和底座的柱窩面施加載荷。求解結(jié)果見(jiàn)圖5,圖6.

圖5 底座扭轉(zhuǎn)位移云圖

圖6 底座扭轉(zhuǎn)應(yīng)力云圖

在底座受到扭轉(zhuǎn)的工況下，從圖5可以得出，支架的最大位移變形量為5.388 8 mm，出現(xiàn)在頂梁， 這和實(shí)際情況是相符合的。從圖6可以得出，應(yīng)力最大值為701.1 MPa，出現(xiàn)在底座的墊塊放置處。很明顯最大應(yīng)力值超過(guò)了材料的屈服極限550 MPa，支架容易出現(xiàn)損壞，可以適當(dāng)增加底座底板的厚度，采用高強(qiáng)度鋼避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。

3 計(jì)算結(jié)果分析

總結(jié)以上3種工況下的位移云圖和應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)，液壓支架的最高應(yīng)力表現(xiàn)為區(qū)域性和局部性，有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。在施加的墊塊位置和銷(xiāo)軸連接位置應(yīng)力集中的現(xiàn)象更加明顯。在頂梁扭轉(zhuǎn)工況下，前后連桿處容易發(fā)生損壞，可以選用高強(qiáng)度鋼來(lái)避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。在底座扭轉(zhuǎn)工況下，最大應(yīng)力值超過(guò)了材料的屈服極限，可以適當(dāng)增加底座底板的厚度，采用高強(qiáng)度鋼來(lái)避免支架損壞。

4 結(jié) 論

文中利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)支架進(jìn)行強(qiáng)度加載試驗(yàn)?zāi)M，通過(guò)對(duì)墊塊施加約束將墊塊作為邊界條件來(lái)處理，將超靜定范疇的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為靜定問(wèn)題，進(jìn)而得到支架在不同工況下的位移、應(yīng)力變形規(guī)律。通過(guò)Pro/E對(duì)支架建立三維模型并對(duì)其仿真運(yùn)動(dòng)，其仿真結(jié)果比較接近支架的實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)支架的改進(jìn)提供指導(dǎo)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 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)GB25974.1-2010煤礦用液壓支架第1部分:通用技術(shù)條件[S].2011-06-01.

[2] 彭 霖. 液壓支架靜力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué),2015.

[3] 何文斌,李菊麗,李立偉. ANSYS 在液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017,06,170-172.

[4] 張悅刊. 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的液壓支架設(shè)計(jì)方法研究[D]. 青島：山東科技大學(xué),2016.

[5] 王忠賓，趙啦啦，李舒斌，等.支撐掩護(hù)式液壓支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,32(9):1037-1042.

[6] 彭 霖. 液壓支架靜力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 武漢：華中科技大學(xué),2009.