某型液壓支架頂梁不同工況強度分析

李海軍

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦， 山西 方山 033100）

引言

液壓支架作為煤炭開采中的重要設(shè)備，是實現(xiàn)采礦安全生產(chǎn)、保障生產(chǎn)效率的重要設(shè)備[1-2]。液壓支架一般結(jié)構(gòu)部件包括：承載部件（頂粱結(jié)構(gòu)、掩護梁結(jié)構(gòu)和底座結(jié)構(gòu)）、液壓支撐系統(tǒng)（立柱、液壓支撐桿）、輔助控制系統(tǒng)等[3]。其中頂梁結(jié)構(gòu)為工作作業(yè)中直接承載部件，受到載荷沖擊作用大，同時由于該結(jié)構(gòu)主要由各種規(guī)格鋼板焊接而成，結(jié)構(gòu)中也包含大量焊縫。焊縫作為焊接結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域，對于液壓支架結(jié)構(gòu)使用壽命具有決定性影響。

1 模型建立及網(wǎng)格劃分

1.1 模型建立

本文研究對象為某型號液壓支架，由于液壓支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在建模時嚴格按照其工程圖建模，同時具有一些不影響分析結(jié)果的細小特征，例如孔、小的凸臺、次要的倒角結(jié)構(gòu)等。結(jié)構(gòu)的主要承載部件為頂板結(jié)構(gòu)，所以依據(jù)這些原則建立了頂板的三維模型。

頂板主要由不同規(guī)格的鋼板拼焊而成，頂板結(jié)構(gòu)材料的參數(shù)見表1。將在三維軟件Croe中創(chuàng)建的模型導(dǎo)入ANSYSWorkbench，依據(jù)表1對模型材料進行設(shè)置。已知Q235B材料密度ρ=7 850 kg/m3，泊松比μ=0.3，彈性模量E=2.5×105MPa。

為了盡可能真實地模擬出頂板承受不同載荷下的應(yīng)力分布，需在ANSYS Workbench中設(shè)置各個板之間的關(guān)系，將各個部件連接位置設(shè)置為焊縫，在Simulation Contact選項中，選擇“contact”可以進行設(shè)置，具體操作在此不再贅述。

1.2 網(wǎng)格劃分

模型結(jié)構(gòu)設(shè)置好后，需對其進行網(wǎng)格劃分，由于模型中包含了焊縫特征，所以在劃分網(wǎng)格時采用“quads”六面體網(wǎng)格進行劃分。首先對不規(guī)則的幾何體進行切割，以適應(yīng)六面體網(wǎng)格的劃分。采用solid45為有限元分析單元類型。模型一共劃分為72 216個單元，包括352 743個節(jié)點。如圖1所示為頂板網(wǎng)格劃分示意圖。

表1 主體結(jié)構(gòu)材質(zhì)

圖1 頂梁網(wǎng)格劃分

圖2 頂梁受最大彎曲載荷時墊塊位置

圖3 頂梁受最大偏向載荷時墊塊位置

2 計算工況及加載

根據(jù)液壓支架實際使用的載荷情況，選擇兩種典型的載荷工況模擬分析頂梁應(yīng)力分布。頂梁的兩種計算工況分別為：最大彎曲、頂梁最大偏載荷工況。載荷的大小以及載荷作用位置圖2、圖3所示，每個接觸面上施加的力為706.5 kN。在墊塊位置設(shè)置相應(yīng)的約束，兩種工況下墊塊不同位置由虛線表示出。

對液壓支架整體進行受力分析，可以得到頂梁所受載荷可以分為三部分：立柱對頂梁的摩擦阻力；千斤頂對頂梁的支撐力；掩護梁對頂梁的作用力。頂梁所有外載荷的位置面如圖4所示高亮區(qū)域，根據(jù)載荷作用的面，編號1—6面。

圖4 頂板外載荷作用面

兩種工況下立柱對頂梁的作用力是相同的，額定工作時立柱對頂梁的作用力合力為9 000 k N，將該值乘上1.3的安全系數(shù)（F=1.3×9 000=11 700 kN），將合力分解到兩個作用面（面5、面6），方向為豎直方向偏右18°。

根據(jù)仿真計算結(jié)果提取千斤頂對頂梁底部的支撐力，力作用的位置在頂梁與千斤頂支撐位置的銷軸處的兩個接觸面上（命名面1、面2），大小見表2。同理可以得到掩護梁與頂梁之間的相互作用力，可將作用力施加在筋板的兩特征孔上（命名面3、面4），大小見表 2。

表2 頂梁所受外載荷情況

3 強度分析結(jié)果

本文基于有限元第四強度理論對液壓支架頂梁的靜態(tài)強度進行分析，分別求解各個工況下頂梁的等效應(yīng)力（Von Mises應(yīng)力），根據(jù)應(yīng)力計算的結(jié)果可以判定結(jié)構(gòu)的危險部位，以及是否超過材料本身的許用應(yīng)力值[4]。

頂梁板材結(jié)構(gòu)組成部分包括：主筋板、橫隔板、上頂板、下支撐板、加強腹板等結(jié)構(gòu)，根據(jù)頂梁在兩種工況下的應(yīng)力云圖可以直觀得到結(jié)構(gòu)的危險區(qū)域，以及各個部位應(yīng)力分布趨勢、應(yīng)力最大和最小值點等信息。為了便于分析結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布情況，在可視化后處理先將最大應(yīng)力值設(shè)置為460 MPa，顯示云圖中應(yīng)力大于460 MPa時顯示為紅色，如圖5、圖6所示，分別為彎曲工況、偏載工況下頂梁應(yīng)力分布情況[5]。

圖5 彎曲工況應(yīng)力分布

圖6 偏載工況應(yīng)力分布

為了盡可能考慮焊縫對應(yīng)結(jié)構(gòu)的影響，本文中對焊縫的最大應(yīng)力與對應(yīng)板材的最大應(yīng)力值進行比較，如表3、表4中所示，分別為頂梁的各個部件在兩種工況載荷下的等效應(yīng)力最大值。并根據(jù)各個板材以及焊縫的應(yīng)力計算結(jié)果，來推算焊縫的平均應(yīng)力值。焊縫平均應(yīng)力是指母板離開焊趾位置一定距離處的等效應(yīng)力，距離焊趾的距離d可以按公式d=（h1h2）1/2計算求得。式中：h1為兩塊板材中厚度較薄的板材厚度；h2為焊縫的焊角尺寸[6]。

本文中按頂梁的主筋板和各部件對應(yīng)的焊縫，分為三個部分給出應(yīng)力計算最大值，表中列出了在兩種不同工況下應(yīng)力的最大值，分別包括母材應(yīng)力值、焊縫的應(yīng)力值，以及根據(jù)d值提取到的焊縫的平均應(yīng)力值，如表3、表4所示。

表3 彎曲工況應(yīng)力值 MPa

表4 偏載工況應(yīng)力值 MPa

兩種工況下，計算得到頂梁母材應(yīng)力小于450 MPa，如果選擇頂梁材料為Q460，則頂梁的總體強度有更多的富余量。兩種工況下，計算得到焊縫的應(yīng)力最大達到了1 100 MPa的應(yīng)力，該位置均處于頂梁尾部的下蓋板與主隔板的焊接接口處，接口區(qū)域狹小，且計算模型中接口處并未設(shè)置焊縫造成的偏差，在此可以看作是虛應(yīng)力。兩種工況下，焊縫的最大平均應(yīng)力分別為481 MPa、412 MPa。根據(jù)焊縫應(yīng)力計算結(jié)果，應(yīng)力較高的區(qū)域均出現(xiàn)在墊塊位置，且兩種工況下均產(chǎn)生于主加強筋與橫隔板所形成的焊縫上。

焊縫上的應(yīng)力梯度較大，在彎曲、偏載兩種工況下，應(yīng)力較大的區(qū)域較為相似。根據(jù)應(yīng)力來看，主要在橫隔板與側(cè)護板之間所形成的焊縫區(qū)域，這些區(qū)域容易產(chǎn)生局部開裂、裂紋。但在頂梁中部的焊縫其應(yīng)力值較小，結(jié)構(gòu)仍具備一定承載余量。

4 結(jié)論

1）根據(jù)計算的應(yīng)力結(jié)果，結(jié)構(gòu)總體強度有富余，但是局部容易產(chǎn)生裂紋、局部塑性變形等。頂梁中部應(yīng)力計算的結(jié)果顯示，其富余量大，主筋板結(jié)構(gòu)仍未達到承載極限，但在使用中應(yīng)注意排查側(cè)護板與橫隔板所形成的焊縫區(qū)域。

2）應(yīng)力云圖顯示大部分筋板未達到承載極限，且在兩種工況下母材應(yīng)力值最大值分別為418 MPa、428 MPa，小于460 MPa。焊縫平均應(yīng)力最大值達到481 MPa，高于460 MPa，所以焊縫作為結(jié)構(gòu)的易破壞點，應(yīng)該引起重視。

3）焊接結(jié)構(gòu)的破壞常常受焊縫的影響，焊縫在承載過程中產(chǎn)生裂紋的結(jié)構(gòu)的使用壽命具有重要影響，從計算的結(jié)果中也可以看到焊縫相對于主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力較大，在設(shè)計中應(yīng)盡量采取措施避免在狹小空間中的焊縫，同時在生產(chǎn)活動中應(yīng)隨時對關(guān)鍵點焊縫進行排查。