液壓支架整機靜強度試驗及等效應(yīng)力分析

趙 北，黎德才，王 海，馬 輝

（1.三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027；2.東北大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

液壓支架是煤礦開采主要配套設(shè)備之一，在液壓支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，目前多采用有限元方法進行靜強度校核，以保證設(shè)計的有效性；為了準確評估設(shè)計的有效性，也通過制作物理樣機，進行壓架試驗來測試支架的應(yīng)力分布情況。兩種方法各有優(yōu)缺點，有限元方法具有高效、節(jié)省成本的優(yōu)點，但由于具有很多簡化和假設(shè)，計算結(jié)果的準確性需要試驗進行校驗和修正，可用在設(shè)計初期用于評估和篩選設(shè)計方案。試驗方法將耗費大量人力、物力與時間，具有效率低的不足，由于受到測點布局的限制，很難評估每個位置下的應(yīng)力分布，但是測試結(jié)果一般認為更符合實際情況，也可用于對仿真模型進行修正。

很多學(xué)者也開展了相關(guān)的實驗研究工作，主要用于仿真結(jié)果的校驗。文獻［1］對ZZ5600/23/47型支撐掩護式液壓支架頂梁扭轉(zhuǎn)、頂梁偏載、底座扭轉(zhuǎn)進行了應(yīng)力測試，試驗布置了20個測點，測試得到的等效應(yīng)力均小于40MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底座扭轉(zhuǎn)工況。文獻［2］對比了某型號液壓支架的有限元仿真和試驗測試應(yīng)力，給出了頂梁兩端集中載荷工況和底座兩端集中載荷工況下20個測點的試驗結(jié)果，結(jié)果表明兩種工況下測試得到的最大應(yīng)力均小于100MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在底座兩端集中載荷工況。文獻［3］對頂梁偏心加載、頂梁扭轉(zhuǎn)加載和頂梁兩端加載三個工況，采用電測法測試了若干測量點的應(yīng)力分布，試驗采用單向應(yīng)變片，試驗得到的最大應(yīng)力為175MPa的壓應(yīng)力，發(fā)生在頂梁兩端加載工況。文獻［4-5］對ZF5000/16/28型液壓支架進行了應(yīng)力測試，給出了頂梁兩端、頂梁扭轉(zhuǎn)和底座扭轉(zhuǎn)三種加載工況下的14個測點的應(yīng)力分布，結(jié)果表明三種工況下最大應(yīng)力依次為537.74MPa、467.88MPa和236.68MPa；文獻［6］也給出了該型號液壓支架14種工況下的應(yīng)力測試結(jié)果，其結(jié)果表明頂梁扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力最大，其等效應(yīng)力達到了613.96MPa。文獻［7］對ZY3500/15/35型液壓支架進行了應(yīng)力測試，實驗布置了32個測點，對19個工況進行了應(yīng)力測試，最大應(yīng)力出現(xiàn)在頂梁扭轉(zhuǎn)工況，最大應(yīng)力為-424.88MPa。文獻［8］對ZF10500/20/36型液壓支架底座扭轉(zhuǎn)、頂梁偏載、頂梁扭轉(zhuǎn)三個工況進行了應(yīng)力測試，提取了15個測點的Von Mises等效應(yīng)力，結(jié)果表明頂梁偏載工況下應(yīng)力最大（最大值為211.6MPa）。

由上述文獻調(diào)研可知，雖然很多學(xué)者在液壓支架應(yīng)力測試方面開展了一定的研究工作，但實驗研究工作相對于仿真來說仍然偏少，很少研究開展多次重復(fù)試驗，來評估試驗的可重復(fù)性，以及各種實驗干擾對實驗結(jié)果的影響。針對ZY6800/08/18D型液壓支架，這里通過兩次實驗以及在應(yīng)力梯度變化較大的區(qū)域通過增加輔助測點，來評估該型號液壓支架的應(yīng)力分布，給出了兩次實驗過程的測試應(yīng)力對比，分析了誤差原因。

2 試驗裝置簡介

液壓支架壓架靜強度試驗在3000t壓架試驗臺上進行，如圖1（a）所示。主要試驗儀器包括：LMS數(shù)據(jù)采集儀（VB8E、DB8板卡，128通道）和應(yīng)變片采用中航電測應(yīng)變片（直角應(yīng)變花，120歐姆）。

圖1 試驗照片及測點標識圖Fig.1 Test Photos and Identification Graph of Test Points

測點布置：對該液壓支架的靜強度共進行了2次試驗，第1次試驗布置了25個測點，第2次試驗將第1次中應(yīng)力值較小的測點剔除，保留應(yīng)力較大的20個測點，如圖1（b）所示，并在應(yīng)力變化梯度較大的測點增加（1～2）個輔助測點來保證測試結(jié)果的準確性。因此，第2次試驗共計39個測點，部分測點，如圖1（a）所示。其中，測點8布置了8′（主測點）、8″（輔助測點）和8″′（輔助測點）3個測點，其余測點標號規(guī)則類似。

試驗工況：5個試驗工況，如圖2所示。其中，2次試驗不同工況下的墊塊布置參數(shù)，如表1所示。試驗臺上臺架與頂梁接觸的表面距離地面1525mm，液壓支架額定工作壓力42.3MPa，根據(jù)GB 25974.1-2010《煤礦用液壓支架第一部分：通用技術(shù)條件》標準［9］，試驗采用1.2倍工作壓力，即50.76 MPa，所有工況加載壓力均參考此壓力，液壓缸實際壓力，如表1所示。

表1 試驗測試工況參數(shù)Tab.1 Test Operating Condition Parameters

圖2 不同工況示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Different Working Conditions

測試過程：測試環(huán)境溫度10℃，測點處彈性模量210GPa，泊松比0.3。每個試驗工況采集3組數(shù)據(jù)，加載時間5min，數(shù)據(jù)分析時采用穩(wěn)定狀態(tài)下的Von Mises應(yīng)力平均值，作為測試的準確結(jié)果。

3 試驗結(jié)果分析

以第2次試驗工況1為例，給出了4個應(yīng)力較大位置的主測點及輔助測點（見圖1（a））的Von Mises 應(yīng)力曲線，如圖3 所示。由圖可知，測試過程從加載有個穩(wěn)定過程，從測試開始大約2分鐘應(yīng)力值趨于穩(wěn)定，選擇穩(wěn)定的階段的應(yīng)力作為最終測試結(jié)果。有些測點應(yīng)力梯度變化較大如8#測點，如圖3（c）所示。該測點周圍焊縫較多，周圍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受力復(fù)雜。為了詳細分析8#測點變形情況，也給出了三個方向的單向應(yīng)變圖，如圖4（a）所示。由圖也可看出三個應(yīng)變花每個單軸向應(yīng)變變化梯度也較大，如圖4所示。壓應(yīng)變主要出現(xiàn)在a方向，其應(yīng)力值要大于拉應(yīng)變，其主測點8′的壓應(yīng)變最大，b向的拉應(yīng)變輔助測點8″′拉應(yīng)變最大，c向的拉應(yīng)變輔助測點8′拉應(yīng)變最大，由這些測點不同方向的應(yīng)變分析可以推斷，8′測點應(yīng)力最大，8″測點次之，8″′最小，且以壓應(yīng)力為主，這些推測最后也得到了證實，如圖6所示。

圖3 不同測點應(yīng)力圖Fig.3 Stress Diagram of Different Measuring Points

圖4 8#測點三個方向應(yīng)變圖Fig.4 Strain Diagram in Three Directions of Measuring Point 8#

兩次實驗主測點應(yīng)力對比，如圖5所示。其中，第1次試驗7#測點由于貼片問題，未能得到有效數(shù)據(jù)，故在圖5中去掉7#測點結(jié)果。由圖可知：（1）對于工況1，應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在23#（頂梁）、5#（頂梁）和8#（頂梁）測點，即頂梁柱窩附近，最大應(yīng)力值為359.7MPa。兩次測試結(jié)果展示等效應(yīng)力變化規(guī)律基本相同，如圖5（a）所示。其中，6#和15#測點誤差較大，誤差分別達到了43.6%和52.4%。（2）對于工況2，應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在15#（底座）、24#（連桿）和20#（底座）測點，最大應(yīng)力值為197MPa。兩次測試結(jié)果展示等效應(yīng)力變化規(guī)律基本相同，如圖5（b）所示。其中，11#、14#和23#測點誤差較大，誤差分別達到了31.3%、38.6%和50.7%。（3）對于工況3，應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在11#（底座）、12#（底座）和15#測點，最大應(yīng)力值為448.3MPa。兩次測試結(jié)果展示等效應(yīng)力變化規(guī)律基本相同，如圖5（c）所示。其中，12#、19#和20#測點誤差較大，誤差分別達到了30.4%、28.8%和62.3%。（4）對于工況4，應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在11#、16#（底座）和17#（底座）測點，最大應(yīng)力值為496.4MPa。兩次測試結(jié)果展示等效應(yīng)力變化規(guī)律基本相同，如圖5（d）所示。其中，11#、16#和25#測點誤差較大，誤差分別達到了25.7%、30.2%和50.4%。（5）對于工況5，應(yīng)力較大的區(qū)域出現(xiàn)在8#、15#和23#測點，最大應(yīng)力值為168.8MPa。第2測試大多數(shù)測點要大于第1測試結(jié)果，如圖5（e）所示，其中，8#、15#和23#測點誤差分別達到了31.1%、40.4%和46.8%。

圖5 典型工況下兩次實驗對比Fig.5 Two Experimental Comparisons under Typical Working Conditions

第2次試驗5個典型工況下主測點和輔助測點的應(yīng)力對比，如圖6所示。由圖可知：（1）對于工況1三個應(yīng)力較大的測點，6#測點的輔助測點相對于主測點，其應(yīng)力分別降低24.1%（測點6′′）和32%（測點6′′′）；8#測點的輔助測點應(yīng)力分別降低8.0%（測點8′′）和30.7%（測點8′′′）；23#測點則分別增加1.7%（測點23′′）和5.4%（測點23′′′）。（2）對于工況2三個應(yīng)力較大的測點，11#測點的輔助測點相對于主測點，其應(yīng)力分別降低10.0%（測點11′′）；15#測點分別增加1.9%（測點15′′）；20#測點分別增加0.9%（測點20′′）?？傮w來說應(yīng)力較大位置，應(yīng)力變化梯度不大。（3）對于工況3三個應(yīng)力較大的測點，8#測點的輔助測點相對于主測點，其應(yīng)力分別降低17.3%（測點8′′）和48.2%（測點8′′′）；11#測點分別增加3.0%（測點11′）；23#測點分別增加13.6%（測點23′′）和20.4%（測點23′′′）。（4）對于工況4三個應(yīng)力較大的測點，11#測點的輔助測點相對于主測點，其應(yīng)力分別降低11.7%（測點11′′）；16#測點分別降低7.4%（測點16′）和增加22.7%（測點16′′′）；17#測點分別增加1.2%（測點17′′）。（5）對于工況5三個應(yīng)力較大的測點，8#測點的輔助測點相對于主測點，其應(yīng)力分別降低17.5%（測點8′′）和45.1%（測點8′′′）；15#測點分別增加1.1%（測點15′）；23#測點分別增加11.1%（測點23′′）和19.9%（測點23′′′）。

圖6 輔助測點應(yīng)力梯度變化Fig.6 Variation of Stress Gradient at Auxiliary Measuring Points

從以上靜應(yīng)力分析，總結(jié)一下可能產(chǎn)生誤差的原因如下：①墊塊在做實驗過程中，由于位置很難保證一致，導(dǎo)致兩次實驗墊塊位置存在偏差，如表1所示。這些會導(dǎo)致邊界條件不完全一致。②液壓缸壓力很難保證完全一致，所以立柱提供的載荷在兩次實驗過程中存在一定誤差，如表1所示。這些會導(dǎo)致載荷條件不完全一致。③兩次實驗測點位置，并不能保證完全一致，對于壓力梯度變化較大的區(qū)域會有很大影響。

4 結(jié)論

這里主要對ZY6800/08/18D 型液壓支架進行了5 種典型工況下的兩次靜應(yīng)力測試，分析了兩次測試結(jié)果誤差，給出了誤差來源，總結(jié)了各種典型工況下的危險位置和應(yīng)力大小。主要結(jié)論如下：（1）一般來說頂梁加載工況下頂梁部位應(yīng)力較大，如頂梁扭轉(zhuǎn)工況，底座加載工況下底座部位應(yīng)力較大，如底座扭轉(zhuǎn)工況和底座對角工況；而頂梁偏載工況其最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在底座和連桿，底座兩側(cè)對稱加載工況，頂梁和底座均出現(xiàn)了較大的應(yīng)力。（2）兩次實驗等效應(yīng)力測試結(jié)果表明五種工況下，底座對角工況應(yīng)力最大、最危險，主要出現(xiàn)在底座測點；其次為底座扭轉(zhuǎn)工況和頂梁扭轉(zhuǎn)工況；頂梁偏載和底座兩側(cè)對稱工況應(yīng)力最小，相對安全一些。（3）在一些比較危險且應(yīng)力梯度變化較大的區(qū)域，如8#測點位置（頂梁柱窩位置），需要增加輔助測點，以便準確掌握危險位置復(fù)雜的應(yīng)力變化情況。