礦用液壓支架的整機(jī)有限元分析與加載試驗(yàn)

□ 李 奇 □ 李祥松

沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院 沈陽(yáng) 110136

礦用液壓支架是與刮板輸送機(jī)、采煤機(jī) （或刨煤機(jī)）聯(lián)合使用的井下煤礦采集設(shè)備。在采煤過(guò)程中，液壓支架會(huì)受到來(lái)自采空區(qū)頂板的巨大壓力，而此時(shí)，工作人員會(huì)在支架下調(diào)試采煤設(shè)備的各種參數(shù)。若液壓支架由于本身的強(qiáng)度問(wèn)題被壓潰，其后果將是災(zāi)難性的，因此，液壓支架的可靠性研究具有重要的理論意義與實(shí)際意義。

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究［1-3］。 任錫義［4］利用 AMESim 與 ADAMS 各自的功能，分別在兩個(gè)軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上建立了系統(tǒng)的仿真模型來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，對(duì)液壓支架整體的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了有效分析。李長(zhǎng)江［5］對(duì)液壓支架進(jìn)行了三維建模和空間有限元受力分析，并對(duì)重要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了相關(guān)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變狀況和固有頻率。K Dasgupta和 R Karmakar［6］利用計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)液壓元件所受的沖擊載荷進(jìn)行了模擬。

本文以某礦用液壓支架為研究對(duì)象，建立了液壓支架的有限元模型。針對(duì)液壓支架在井下的惡劣工況，首先運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)該礦用液壓支架進(jìn)行靜力學(xué)分析。然后，根據(jù)仿真結(jié)果選取相關(guān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過(guò)兩者的數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性。本文的研究為以后液壓支架的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、選材等提供了一定的理論依據(jù)。

1 液壓支架有限元模型的建立

以某礦用液壓支架為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元軟件建模，建模時(shí)，簡(jiǎn)化了對(duì)整機(jī)受力影響不大的部件與結(jié)構(gòu)。在立柱的簡(jiǎn)化方面，雖然立柱不是應(yīng)力試驗(yàn)的關(guān)注對(duì)象，但卻是提供支撐力的裝置，因此可由千斤頂缸內(nèi)油壓計(jì)算出的支撐力來(lái)替代，即在千斤頂與頂梁和底座的連接處施加支撐力來(lái)代替千斤頂。同理，在底座兩端集中載荷工況下，將狹長(zhǎng)鋼板放置在底座下方，千斤頂支撐力的施加方式與前者相同。液壓支架的簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

網(wǎng)格劃分采用帶有中間節(jié)點(diǎn)的四面體與六面體單元，這種單元的特點(diǎn)在于可以應(yīng)用較少的單元數(shù)量來(lái)獲得更加精確的結(jié)果［7］。在網(wǎng)格劃分時(shí)，根據(jù)液壓支架在試驗(yàn)中的受力情況，對(duì)頂梁和底座進(jìn)行了加密處理。后連桿與掩護(hù)梁因試驗(yàn)工況的原因受力較小，因此使用較為粗大的網(wǎng)格以減小計(jì)算規(guī)模。在本次分析中，模型共有343 227個(gè)節(jié)點(diǎn)與178 256個(gè)單元，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

▲圖1 液壓支架的簡(jiǎn)化模型

▲圖2 液壓支架有限元網(wǎng)格模型

2 液壓支架受力分析

液壓支架在實(shí)際工作中，載荷的主要來(lái)源為覆巖壓力和沖擊地壓以及掩護(hù)梁上矸石的作用力。隨著外力的增大，立柱油壓也會(huì)隨之增大來(lái)平衡外載荷，直到油壓大于立柱安全閥的調(diào)定壓力而使液壓支架卸荷為止。然而實(shí)際的壓力狀況是多變的，油壓的變化也是一個(gè)完全隨機(jī)的過(guò)程，因此試驗(yàn)中采用千斤頂?shù)念~定承載能力來(lái)測(cè)試液壓支架的承載性能［8］。試驗(yàn)中的液壓支架頂梁與底座的受力簡(jiǎn)圖如圖3、圖4所示。

▲圖4 底座受力簡(jiǎn)圖

▲圖3 頂梁受力簡(jiǎn)圖

以頂梁受力為例，Q為頂板壓力，P1為前立柱支撐力，P2為后立柱支撐力，θ1、θ2分別為前立柱、后立柱與豎直方向的夾角。根據(jù)圖3、圖4所示的受力狀態(tài)有：

P1與P2通過(guò)立柱油壓計(jì)算為2 480 kN，取夾角θ1為 70°、θ2為 3°，計(jì)算出 Q 為 4 938 kN。 由于此液壓支架為左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此總的外部壓力應(yīng)為Q的2倍，即9 876 kN，此數(shù)值即為該液壓支架的額定載荷。

3 有限元分析結(jié)果

在施加了相應(yīng)的邊界條件后，對(duì)液壓支架進(jìn)行相應(yīng)的模態(tài)求解，得到頂梁與底座在集中載荷工況下的應(yīng)力云圖，如圖5、圖6所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與在實(shí)際工作中的易損點(diǎn)，在整臺(tái)支架上取20個(gè)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，這些應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)的分布為：底座 5 個(gè)，編號(hào)為 1、2、3、4、5；前后連桿 6 個(gè)，編號(hào)為 6、7、8、9、10、11；掩護(hù)梁 3 個(gè)，編號(hào)為 12、13、20；頂梁 6 個(gè)，編號(hào)為 14、15、16、17、18、19。 提取這些點(diǎn)的應(yīng)力值與試驗(yàn)值作對(duì)比，以驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性。

由圖5和圖6可以看出，頂梁和底座在墊板位置有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在應(yīng)力集中處的中心位置，結(jié)構(gòu)的變形最大，這與實(shí)際是相符的。

4 液壓支架整機(jī)應(yīng)力試驗(yàn)

液壓支架在實(shí)際工作時(shí)，其頂梁和底座都不是與平坦的平面接觸，而是與凹凸不平的煤層或矸石接觸。在這種工況下，頂梁和底座可能會(huì)有應(yīng)力集中現(xiàn)象。按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT312-2000的要求，試驗(yàn)過(guò)程中需通過(guò)模擬頂梁和底座因受到集中載荷而彎曲的工況來(lái)檢測(cè)支架的可靠性。

▲圖5 頂梁兩端集中載荷工況下的等效應(yīng)力云圖

▲圖6 底座兩端集中載荷工況下的等效應(yīng)力云圖

試驗(yàn)中用兩塊狹長(zhǎng)鋼板分別放置在頂梁和底座的兩端，當(dāng)液壓支架的立柱頂起后，兩端的鋼板會(huì)先與固定壁面接觸，頂梁或底座的中間部位會(huì)因兩端的集中載荷而彎曲變形，以此達(dá)到模擬液壓支架惡劣工況的目的。

應(yīng)用2 500 t壓架試驗(yàn)臺(tái)來(lái)模擬實(shí)際工況。首先將支架放置在壓架試驗(yàn)臺(tái)下，打磨貼片點(diǎn)，并黏貼應(yīng)變花。之后調(diào)節(jié)泵站出口壓力，使立柱內(nèi)油壓達(dá)到試驗(yàn)要求值。此時(shí)有應(yīng)力值輸出，當(dāng)應(yīng)力值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集方面，試驗(yàn)采用60通道靜態(tài)應(yīng)變儀與應(yīng)變片采集各測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力，可以測(cè)試測(cè)點(diǎn)3個(gè)方向的應(yīng)力值，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確（試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖7所示）。

5 對(duì)比分析

為驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須將試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，若兩者誤差較小，則可以認(rèn)為有限元模型能夠近似地模擬實(shí)際工況，可信度較高。試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果的對(duì)比如圖8、圖9所示。從圖中可以看出，試驗(yàn)結(jié)果值與有限元仿真結(jié)果較為接近，誤差在可接受范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性。

▲圖7 ZJ01型液壓支架應(yīng)力測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

▲圖8 頂梁兩端集中載荷工況數(shù)據(jù)對(duì)比

▲圖9 底座兩端集中載荷工況數(shù)據(jù)對(duì)比

在僅承受靜壓力的狀態(tài)下，液壓支架的絕大部分載荷均由頂梁和底座承擔(dān)，掩護(hù)梁、前后連桿以及各銷(xiāo)軸處應(yīng)力很小，這是符合設(shè)計(jì)要求的。原因在于如果將巨大而又持久的壓力集中在這些較小的部件上，再加上井下的惡劣條件，這些部件將極易發(fā)生損壞，而一旦這些部件失效，后果將是災(zāi)難性的。相反的，如果壓力通過(guò)較大的頂梁和底座兩部件傳給千斤頂來(lái)承擔(dān)，則可以發(fā)揮液壓傳動(dòng)承載能力大、穩(wěn)定性好、堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)，使整機(jī)的性能更加可靠。

在有限元分析過(guò)程中，鋼板與頂梁或底座接觸的邊緣部位的等效應(yīng)力超出了材料的彈性極限，進(jìn)入到了塑性階段。在應(yīng)力試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)鋼板與液壓支架接觸的邊緣部位也有微小的塑性變形。除此處之外，頂梁與底座部位的應(yīng)力分布較為均勻，無(wú)大范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以認(rèn)定該液壓支架的鋼結(jié)構(gòu)較為合理。

6 結(jié)論

通過(guò)上述研究和分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）在支架只承受靜載荷時(shí)，頂梁和底座承擔(dān)了大部分的載荷，掩護(hù)梁和前后連桿受力較小。

（2）仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)一致，誤差較小，說(shuō)明仿真模型的可信度較高，并可以以此來(lái)評(píng)估支架整體的受力狀況，進(jìn)而修正支架設(shè)計(jì)軟件的某些參數(shù)。

（3）根據(jù)仿真結(jié)果，液壓支架整體受力較為均勻，無(wú)大范圍應(yīng)力集中現(xiàn)象，驗(yàn)證了支架鋼結(jié)構(gòu)的可靠性。

［1］ 李博.液壓支架動(dòng)載特性及疲勞壽命分析［D］.太原：太原理工大學(xué)，2013.

［2］ Cao Lianmin,Zeng Qingliang,Xiao Xingyuan，et al.Finite Element Stress Analysis on Structure of Hydraulic Support［J］.Advanced Materials Research,2011,321：84-87.

［3］ Cao Lianmin，Zhao Wenming.Material Stress Analysis of Hydraulic Support in Deeply Inclined Top Coal Caving Face Based on Virtual Prototyping Technology ［J］.Advanced Materials Research,2012，568： 230-233.

［4］ 任錫義.液壓支架整體動(dòng)態(tài)特性仿真分析［D］.太原：太原理工大學(xué)，2010.

［5］ 李長(zhǎng)江.液壓支架的計(jì)算機(jī)輔助工程分析［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2005.

［6］ K Dasgupta,R Karmakar.Dynamic Analysis of Pilot Operated Pressure Relief Valve ［J］.Simulation Modeling Practice and Theory，2002 （10） ：35-49.

［7］ 龔曙光.ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［8］ 杜長(zhǎng)龍,肖世德.液壓支架計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1996.