基于FEA的煤礦液壓支架典型工況分析

代立明

（山西天地煤機裝備有限公司，太原030006）

0 引 言

在液壓支架的最初設計和制造過程中，都需對設計進行測試和驗證。以前的測試和驗證是在試驗場地進行，液壓支架的試驗對象，測試費用大約需要10萬～20萬元，過程大約需1～2個月時間，而且這種測試是破壞性測試。本文以ZT6500/19.5/34型支架研究對象，通過SolidWorks軟件建立三維模型，然后通過簡化計算模型并導入ANSYS軟件，最后得出4種工況下的液壓支架強度有限元分析結(jié)論，這種仿真計算解決了傳統(tǒng)測試驗證方法費用高、用時長、存在破壞性的問題。

1 三維模型建模

本文以ZT6500/19.5/34型支架為例進行三維建模。在建模過程中，一些不重要的部分(如蓋板、耳子等)被簡化。但是這種簡化是在不影響強度分析結(jié)果基礎上的簡化。簡化后建模如圖1所示。簡化后的模型進行相關(guān)來壓測驗高度為2850 mm，該模型為后續(xù)的有限元分析提供了動態(tài)模型，提高了模型有限元分析的效率。

2 有限元分析

圖1所示模型可以通過介于SolidWorks和ANSYS之間的通用文件格式SAT導入有限元分析軟件ANSYS中進行分析，這種方法可以大大減少直接在ANSYS有限元分析軟件中直接建模所花費的時間。首先本文以四面體結(jié)構(gòu)為劃分依據(jù)對模型進行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果為56 884個單元和109 445個節(jié)點，測試高度為2850 mm，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖1 ZT6500/19.5/34型液壓支架三維模型

在液壓支架的強度測試中，在煤礦井下的實際工況中，液壓支架的不同部位在不同負載下受力不一樣。根據(jù)《液壓支架通用技術(shù)條件》（中國煤炭行業(yè)標準MT 312-2000）要求，在進行液壓支架強度試驗時，在對主體結(jié)構(gòu)件進行加載試驗時，試驗方法為立柱內(nèi)加載，試驗壓力為額定工作壓力的1.2倍，即7800 kN。本文針對頂梁在4種工況下的負載進行有限元分析：狀態(tài)一為頂梁兩端集中載荷工作狀態(tài)；狀態(tài)二為頂梁扭轉(zhuǎn)工作狀態(tài)：狀態(tài)三為頂梁偏載工作狀態(tài)；狀態(tài)四為頂梁中部集中載荷工作狀態(tài)。這4種工作狀態(tài)下的加載簡圖如圖3～圖6所示。

圖2 液壓支架的網(wǎng)格劃分

圖3 狀態(tài)一加載簡圖

圖4 狀態(tài)二加載簡圖

圖5 狀態(tài)三加載簡圖

圖6 狀態(tài)四加載簡圖

3 分析計算結(jié)果

在《液壓支架通用技術(shù)條件》（MT 312-2000）中已對強度加載試驗在不同工作狀態(tài)的加載強度進行了規(guī)定，本文嚴格按照規(guī)定施加載荷，圖7～圖14為4種工作狀態(tài)的位移變量和等效應力圖。

圖7 狀態(tài)1位移變量圖

圖8 狀態(tài)1等效應力圖

圖9 狀態(tài)2位移變量圖

圖10 狀態(tài)2等效應力圖

從圖7中可以看出，在頂梁兩端集中載荷工作狀態(tài)（狀態(tài)一）下，最大位移變量集中在頂梁中部（為1.285 mm）。位移變量從中部往兩端逐漸降低。斜梁變形較小，其他部位變形也較小，整體變形量呈現(xiàn)拱形。頂梁墊塊的位移量為0，所以液壓支架滿足安全使用要求。

從圖8中可以看出，在頂梁兩端集中載荷工作狀態(tài)（狀態(tài)一） 下，左右兩側(cè)應力值較高，最大值為430 MPa，低于鉸接銷軸極限（785 MPa），頂梁兩端墊塊應力值較大，其余部分應力值較小，所以液壓支架滿足安全使用要求。

從圖9中可以看出，在頂梁扭轉(zhuǎn)工作狀態(tài)（狀態(tài)二）下，頂梁最大位移偏轉(zhuǎn)位置在頂梁左中部，最大位移量為1.916 mm。位移量從左邊中部往外部逐漸下降。頂梁位移量整體偏小，整體變形量為拱形，左中部有明顯翹起部位，頂梁墊塊的位移量為0，所以液壓支架滿足安全使用要求。

圖11 狀態(tài)3位移變量圖

圖12 狀態(tài)3等效應力圖

圖13 狀態(tài)4位移變量圖

圖14 狀態(tài)4等效應力圖

從圖10中可以看出，在頂梁扭轉(zhuǎn)工作狀態(tài)（狀態(tài)二）下，在頂梁左側(cè)鉸接處應力值最大（為427 MPa），低于鉸接銷軸極限（785 MPa），頂梁兩端墊塊應力值較大，其余部分應力值較小，所以液壓支架滿足安全使用要求。

從圖11中可以看出，在頂梁偏載工作狀態(tài)（狀態(tài)三）下，位移變量最大值出現(xiàn)在左側(cè)頂梁前段，最大值為2.367 mm，位移變量值從左側(cè)頂梁前段往右往外降低，前后鉸接部位位移變量值較小，頂梁翹起部位位移變量逐漸增大，其他部位位移變形量較小，頂梁墊塊的位移量為0，所以液壓支架滿足安全使用要求。

從圖12可以看出，在頂梁偏載工作狀態(tài)（狀態(tài)三）下，右側(cè)頂梁應力值最大（為440 MPa），低于鉸接銷軸極限（785 MPa），鉸接銷孔應力值為417 MPa，頂梁兩端墊塊應力值較大，其余部分應力值較小，所以液壓支架滿足安全使用要求。

從圖13可以看出，在頂梁中部集中載荷工作狀態(tài)（狀態(tài)四）下，位移量最大值出現(xiàn)在頂梁右前端（為2.876 mm），位移量值從右前端往外逐漸降低，前后鉸接銷軸孔位移量較小，其他部位的位移量較小，整體形變量為反拱形。翹起部位變形量從內(nèi)往外逐漸增大，頂梁墊塊的位移量為0，所以液壓支架滿足安全使用要求。

從圖14可以看出，在頂梁中部集中載荷工作狀態(tài)（狀態(tài)四）下，應力值在頂梁右鉸接銷軸處為最大值（為279 MPa），低于鉸接銷軸極限（785 MPa），鉸接銷孔應力值為271 MPa，頂梁兩端墊塊應力值較大，其余部分應力值較小，所以液壓支架滿足安全使用要求。

4 結(jié) 論

通過三維建模軟件，對ZT6500/19.5/34型液壓支架進行建模并簡化，建模效率大幅提高，并為后續(xù)動態(tài)有限元分析提供了模型。通過ANSYS進行了該型號液壓支架的4種工況下的位移變量和等效應力分析。該分析可以有效提高液壓支架優(yōu)化設計和結(jié)構(gòu)設計強度分析效率。通過建模和仿真分析可以更加符合工程實際工況，從而便捷、高效、節(jié)約地完成液壓支架設計和研究。