基于Workbench的ZY4000型液壓支架結(jié)構(gòu)強度分析

衛(wèi)晉鵬

(晉能控股晉城煤炭事業(yè)部 宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048000)

我國的煤炭資源儲量相對豐富，現(xiàn)已探明的煤炭資源儲量約為6萬億t，占世界煤炭資源總儲量的11.8%左右。我國每年煤炭資源的開采與消耗都較大，據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計，我國2016年煤炭資源消費量在作用一次性能源中占比約為75%，因此可以說國家社會經(jīng)濟的發(fā)展對煤炭資源的依賴程度較高，所以保障煤炭資源的開采即是保障國家經(jīng)濟的發(fā)展。

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，對保障煤炭開采的安全生產(chǎn)具有重要作用。液壓支架在實際使用過程中常發(fā)生的結(jié)構(gòu)類故障主要包括頂板結(jié)構(gòu)失效、立柱的結(jié)構(gòu)破壞、底座破壞，其結(jié)構(gòu)破壞的主要原因是結(jié)構(gòu)在使用過程中承受沖擊載荷作用。因此在液壓支架結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程中，需要對其關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件的強度進行分析，有針對性地提高設(shè)備的抗沖擊能力[1]。

1 ZY4000型液壓支架

液壓支架的主體結(jié)構(gòu)為鋼制焊接結(jié)構(gòu)，在實際工作中常發(fā)生結(jié)構(gòu)失效。液壓支架的關(guān)鍵部件包括頂梁、底座、支撐立柱、掩護梁結(jié)構(gòu)、液壓系統(tǒng)等。頂梁在液壓支架工作過程中與頂板接觸，主要對巷道頂板提供支護；掩護梁的作用則是防止側(cè)面的落石對設(shè)備造成損壞；底座是與底面相接觸的部件，是液壓支架的基座，并與立柱、頂梁相連；立柱是頂梁與底座之間的支撐結(jié)構(gòu)，具有調(diào)節(jié)液壓支架支撐角度的能力[2]。

ZY4000型液壓支架作業(yè)煤層厚度范圍為6～16 m；適應(yīng)煤層傾角要求≤15°；工作阻力4 000 kN，支護強度0.7 MPa；液壓支架中心距1.5 m，是一種應(yīng)用廣泛的液壓支架，圖1為ZY4000型液壓支架結(jié)構(gòu)示意。

圖1 ZY4000液壓支架結(jié)構(gòu)示意

2 有限元分析理論

有限元分析理論是計算復(fù)雜工程力學(xué)問題的重要研究手段之一，近年來取得了較大的發(fā)展，理論進一步完善，計算結(jié)果也更合理可靠。有限元分析方法是將復(fù)雜的連續(xù)體問題離散為單元和節(jié)點之間聯(lián)系的關(guān)系，整體結(jié)構(gòu)各單元之間的關(guān)系可以用一個剛度矩陣來表示，載荷施加在單元與節(jié)點之上，單元被賦予一定的屬性即可模擬真實結(jié)構(gòu)的受載荷情況。有限元分析計算可以了解整個結(jié)構(gòu)的受載情況，也可以直觀地了解結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變分布，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計具有重要參考意義[3]。

有限元計算分析發(fā)展出來許多有限元計算軟件，本研究采用了美國ANSYS公司的ANSYS Workbench。該軟件具有操作流程簡單、易上手、分析結(jié)果可靠等優(yōu)點，相較于經(jīng)典版的APDL具有更好的非線性收斂能力。軟件分析的操作流程大致可以分為三維模型建立、有限元分析模型建立、計算求解、查看分析計算結(jié)果等步驟，其分析流程可以簡化為圖2所示步驟。

圖2 有限元靜態(tài)分析流程

3 三維建模

三維模型的建立對結(jié)果影響較大，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。由于有限元分析中對模型單元劃分質(zhì)量有一定要求，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(yīng)不影響對液壓支架結(jié)構(gòu)強度計算結(jié)果，因此模型簡化遵循如下準則[4]：

1) 非關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、非承載結(jié)構(gòu)可以簡化，如液壓支架上輔助設(shè)備安裝連接位置、連接板之類。

2) 在保證液壓支架關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，對于非承載式筋板可以簡化，對于一般的小開孔、耳板等結(jié)構(gòu)可以做簡化處理。

3) 液壓支架為大型焊接結(jié)構(gòu)，可以認為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。

在建模時應(yīng)注意，保留液壓支架各部件之間的連接銷軸，在有限元分析時應(yīng)將其設(shè)置為接觸約束。立柱為液壓油缸，主要實現(xiàn)對液壓支架不同部位進行調(diào)節(jié)，在有限元計算分析中可以將立柱視為二力桿，不考慮其長度的變化[5]。

4 有限元分析模型建立

1) 材料屬性。ZY4000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，且Q690材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量2.04×105MPa，泊松比為0.3。由于液壓支架結(jié)構(gòu)中使用Q460結(jié)構(gòu)較少，在分析時可以統(tǒng)一設(shè)置為Q690。在模型導(dǎo)入ANSYS Workbench時需對液壓支架各相對獨立的部件之間設(shè)置接觸，選擇“contact”設(shè)置各部件之間的相互接觸關(guān)系，模擬液壓支架的實際受載情況。

2) 網(wǎng)格劃分。對模型網(wǎng)格的處理會影響到模型計算的結(jié)果，理論上講網(wǎng)格劃分越密計算的結(jié)果也越可靠，但網(wǎng)格過小會導(dǎo)致模型求解時間大幅增加，所以應(yīng)控制網(wǎng)格劃分數(shù)量。根據(jù)液壓支架結(jié)構(gòu)的實際尺寸，在Workbench中設(shè)置網(wǎng)格劃分參考尺寸為50 mm。為提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量，將網(wǎng)格畸變系數(shù)設(shè)置為0.9，設(shè)置單元類型為SOLID45實體單元。最后根據(jù)軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分法，計算得到共269 081個單元，379 238個節(jié)點[6]。

3) 載荷工況。對液壓支架載荷的研究工作是相對成熟的，關(guān)于液壓支架結(jié)構(gòu)分析工況已經(jīng)形成了通用技術(shù)標(biāo)準，主要用于模擬液壓支架在不同情況下的受力情況，以驗證液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，為液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有力參考。

在此參照國標(biāo)《液壓技術(shù)通用技術(shù)條件》，結(jié)構(gòu)液壓支架實際受載情況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(biāo)準進行加載，在此不再對其載荷加載位置做過多說明。

5 計算結(jié)果

基于到四強度理論對液壓支架整機結(jié)構(gòu)強度進行分析，根據(jù)計算結(jié)果可以直觀得到液壓支架的受力特征、應(yīng)力分布情況，為液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供重要的理論參考，下面分別對液壓支架在兩種工況下的計算結(jié)果進行描述。

5.1 頂梁偏載工況

在頂梁偏載工況加載下，計算得到液壓支架的應(yīng)力與應(yīng)變云圖如圖3所示。根據(jù)計算結(jié)果可知，液壓支架各部件的應(yīng)力大小差異較大，其最大應(yīng)力值為553.89 MPa，最大應(yīng)力位于頂梁左側(cè)；最大位移值為18.812 mm，位于頂梁的右側(cè)頂端，由此可見液壓在偏載工況作用下產(chǎn)生了比較明顯的扭轉(zhuǎn)。

圖3 頂梁偏載工況計算結(jié)果

5.2 頂梁、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷

液壓支架在頂梁、底座承受扭轉(zhuǎn)載荷工況下，根據(jù)Workbench計算分析結(jié)果，如圖4所示，可對液壓支架整體結(jié)構(gòu)進行分析。

圖4 扭轉(zhuǎn)工況計算結(jié)果

從圖4中可知，液壓支架在扭轉(zhuǎn)載荷工況下最小應(yīng)力為0.016 MPa，最大應(yīng)力值為909 MPa，最大應(yīng)力值已超過材料的屈服強度，最大應(yīng)力值點位于頂梁左后側(cè)，液壓支架其他部件如掩護梁、連桿等的應(yīng)力較小。根據(jù)液壓位移云圖4(b)所示，其最大位移為20 mm，發(fā)生在頂梁左前邊緣位置，其余區(qū)域位移量均較小。此工況下最大應(yīng)力超過了材料的屈服強度，表明實際結(jié)構(gòu)在此最大應(yīng)力值點容易產(chǎn)生破壞。

5.3 優(yōu)化改進意見

根據(jù)對ZY4000型液壓支架應(yīng)力應(yīng)變分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)中有可能造成應(yīng)力比較集中的區(qū)域，因此該后續(xù)的設(shè)計中應(yīng)對其進行改進，針對液壓支架結(jié)構(gòu)提出兩條改進意見：①避免應(yīng)力集中。液壓支架整體應(yīng)力較小，但應(yīng)力集中區(qū)域最大應(yīng)力已超過材料屈服強度，應(yīng)增加立柱與頂梁之間連接耳板。②可以提高頂梁頂板材料承載能力，可將頂板材料改為Q890。

6 結(jié) 語

以ZY4000型液壓支架為研究對象，首先根據(jù)其工程設(shè)計圖建立三維實體模型，并對模型做了相應(yīng)的簡化，列出了模型簡化的原則。建立了液壓支架的有限元分析模型，并依據(jù)液壓支架結(jié)構(gòu)校核載荷標(biāo)準選擇了兩種載荷工況對液壓支架進行了分析，計算得到在頂梁偏載工況下最大應(yīng)力值為553.89 MPa，頂梁與底座受扭轉(zhuǎn)工況下最大應(yīng)力值為909 MPa，超過了材料的屈服強度?；诜治鼋Y(jié)果提出了兩條該型液壓支架設(shè)計改進的意見，該研究對于此類型液壓支架結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供了重要的理論參考。