大采高液壓支架主體結(jié)構(gòu)件的有限元分析

曹連民，魏翠翠，王鵬懷，黃利民，劉旭東

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 榆林 719300)

大采高液壓支架主體結(jié)構(gòu)件的有限元分析

曹連民1，魏翠翠1，王鵬懷1，黃利民2，劉旭東2

(1.山東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 榆林 719300)

大采高綜采工作面采高較大，煤壁片幫、冒頂概率增大，使大采高支架受力狀態(tài)惡化，對(duì)支架主體結(jié)構(gòu)件的可靠性提出更高要求。針對(duì)這一問(wèn)題，以ZY10000/26/55型掩護(hù)式液壓支架為研究對(duì)象，運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件建立虛擬樣機(jī)，運(yùn)用ANSYS Workbench軟件建立支架有限元模型，定義液壓支架結(jié)構(gòu)件間的接觸為柔性體的面-面接觸，對(duì)支架在頂梁三點(diǎn)加載、底座集中載荷組合加載和頂梁偏載兩種內(nèi)加載工況下的受力狀態(tài)進(jìn)行整架數(shù)值模擬，分析得出大采高液壓支架的應(yīng)力和變形特點(diǎn)，為高可靠性液壓支架的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

大采高；液壓支架；可靠性；有限元分析

隨著我國(guó)厚煤層礦井開(kāi)采的發(fā)展，煤炭開(kāi)采高度逐漸增大，大采高液壓支架技術(shù)成為厚煤層開(kāi)采中的重要技術(shù)發(fā)展方向。但大采高工作面易發(fā)生煤壁片幫、端面冒頂，使液壓支架受載復(fù)雜，易引起支架結(jié)構(gòu)件的變形與破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度下降，帶來(lái)安全隱患[1]。而液壓支架傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算只能得出其外部力學(xué)特征及某一截面的應(yīng)力和變形狀況，無(wú)法得出結(jié)構(gòu)件整體的應(yīng)力分布情況，這給高可靠性液壓支架設(shè)計(jì)帶來(lái)極大盲目性[2-3]。曹方梅等[4]采用SolidWorks與CosmosWorks軟件相結(jié)合對(duì)ZY8800/22/45D型液壓支架在11種單一工況下有限元分析，為支架結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，但未考慮銷(xiāo)軸處的接觸問(wèn)題，導(dǎo)致計(jì)算精度降低；劉新華等[5]運(yùn)用Pro/E與ANSYS軟件相結(jié)合對(duì)液壓支架的整架有限元計(jì)算，得到支架在兩種組合工況下的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，為支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料配置提供了理論依據(jù)；李奇等[6]根據(jù)數(shù)值模擬與加載試驗(yàn)相結(jié)合的方法探討了某型液壓支架在惡劣工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況，有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差較小，驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性，為支架的設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化提供了理論與試驗(yàn)依據(jù)。

上述研究針對(duì)液壓支架仿真分析提出了理論和方法，為大采高支架的有限元分析提供了借鑒，但在具體分析中不能盲目借用，應(yīng)結(jié)合支架具體受載工況、架型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等提出適用的仿真分析處理方法。本研究以ZY10000/26/55型兩柱掩護(hù)式液壓支架為研究對(duì)象，應(yīng)用SolidWorks三維建模軟件結(jié)合ANSYS Workbench對(duì)支架在頂梁三點(diǎn)加載、底座集中載荷組合加載和頂梁偏載兩種工況進(jìn)行整架有限元分析，分析并總結(jié)受力結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力和變形情況，找出支架結(jié)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，為大采高液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 線(xiàn)性靜力分析理論基礎(chǔ)

線(xiàn)性靜力分析用于線(xiàn)性彈性材料，靜態(tài)加載的情況。靜力就是結(jié)構(gòu)受到靜態(tài)載荷作用，忽略慣性和阻尼，在靜態(tài)載荷作用下，結(jié)構(gòu)處于靜力平衡狀態(tài)，此時(shí)必須充分約束，由于不考慮慣性，則質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)無(wú)影響。對(duì)于液壓支架，由于其荷載周期遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)自振周期(即緩慢加載)，結(jié)構(gòu)的慣性效應(yīng)可忽略，從而簡(jiǎn)化為線(xiàn)性靜力分析來(lái)進(jìn)行。ANSYS Workbench的線(xiàn)性靜力分析可將多種載荷組合到一起分析，即可以進(jìn)行液壓支架在多工況下的力學(xué)分析[7]。

由經(jīng)典力學(xué)理論可知，物體的動(dòng)力學(xué)通用方程為：

[M]{x″}+[C]{x′}+[K]{x}={F(t)}。

(1)

其中：[M]是質(zhì)量矩陣；[C]是阻尼矩陣；[K]是剛度矩陣；{x}是位移矢量；{F(t)}是力矢量；{x′}是速度矢量；{x″}是加速度矢量。

在液壓支架結(jié)構(gòu)分析中，可忽略與時(shí)間t相關(guān)的量，于是上式簡(jiǎn)化為：

[K]{x}={F}。

(2)

2 液壓支架有限元模型的建立

2.1 液壓支架三維模型的建立

應(yīng)用SolidWorks三維建模軟件創(chuàng)建大采高液壓支架實(shí)體模型，依據(jù)簡(jiǎn)化原則簡(jiǎn)化支架結(jié)構(gòu)[8-9]，定義模型幾何邊界，控制單元大小與形狀，建立液壓支架各金屬結(jié)構(gòu)件的三維模型，然后虛擬裝配及干涉檢查，無(wú)干涉現(xiàn)象的實(shí)體建模如圖1(a)所示。

圖1 液壓支架實(shí)體模型和有限元模型

2.2 劃分網(wǎng)格生成有限元模型

材料彈性模量和泊松比分別取210 GPa和0.3，各種參數(shù)設(shè)置好后，對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分[10]，為提高計(jì)算速度、提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，采取2種措施：一是簡(jiǎn)化非關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)，二是細(xì)化重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域的網(wǎng)格密度。對(duì)于較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)，如連桿采用四面體網(wǎng)格，而對(duì)于護(hù)幫板這樣較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)則采用隨機(jī)劃分的三角形網(wǎng)格。單元的尺寸根據(jù)結(jié)構(gòu)件的具體尺寸確定，并對(duì)應(yīng)力集中的位置進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理。整架網(wǎng)格劃分后，生成有限元模型，如圖1(b)所示。

3 接觸與邊界條件

3.1 結(jié)構(gòu)件間接觸處理

有限元分析時(shí)，將液壓支架結(jié)構(gòu)件視為變形體，接觸件間有近似的剛度，定義液壓支架結(jié)構(gòu)件間的接觸為柔性體的面-面接觸，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置接觸面間的預(yù)載荷、動(dòng)、靜摩擦系數(shù)、開(kāi)放接觸剛度、封閉接觸硬度和最大凹陷的具體值。

接觸類(lèi)型在支架分析中主要有兩種：Bonded(綁定)和No separation(不分離)兩類(lèi)。前者用于兩個(gè)接觸零件間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況；后者用于接觸零件接觸面間具有切向運(yùn)動(dòng)的情況，如銷(xiāo)軸和孔之間的相互轉(zhuǎn)動(dòng)。典型支架自身零件間的接觸有29個(gè)，其他接觸根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的不同而有所不同。圖2為支架上接觸分布情況的示例。

圖2 支架上接觸情況分布示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the distribution of contact on the hydraulic support

3.2 邊界條件確定

實(shí)際工作中，支架承受工作面圍巖的壓力載荷和立柱支撐載荷[11]。支架的型式強(qiáng)度試驗(yàn)中，在不同位置上放置墊塊來(lái)模擬支架在井下的受力工況[12]。為了便于計(jì)算和比較有限元和傳統(tǒng)力學(xué)計(jì)算的結(jié)果，有限元分析邊界條件是依據(jù)液壓支架試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)GB25974.1—2010技術(shù)要求中規(guī)定的支架型式試驗(yàn)條件來(lái)確定[13-14]。對(duì)液壓支架進(jìn)行仿真試驗(yàn)時(shí)，為模擬液壓支架在大采高工作面的實(shí)際受力情況，加載力應(yīng)為外載荷(即外加載)，由于受現(xiàn)有的液壓支架試驗(yàn)條件和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)水平所限，還不能簡(jiǎn)單的采用外加載方式。在采用有限元法對(duì)液壓支架受力分析時(shí)，為了能夠與目前我國(guó)液壓支架型式試驗(yàn)加載方法一致，把墊塊對(duì)支架的作用當(dāng)作邊界約束條件來(lái)處理，支架所受外載為兩根立柱所施加的力，即內(nèi)加載工況[15]，可以很好地逼近支架實(shí)際受力狀態(tài)，滿(mǎn)足支架型式試驗(yàn)要求。支架在頂梁三點(diǎn)加載、底座集中載荷組合加載和頂梁偏載兩種工況下的加載模型如圖3、圖4。

圖3 頂梁三點(diǎn)加載、底座集中載荷組合加載模型Fig.3 Loading model of top-beam three point and base concentrated load

圖4 頂梁偏載下支架的加載模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

本部分運(yùn)用應(yīng)力色譜圖描述了支架結(jié)構(gòu)件在兩種工況下的應(yīng)力，圖5、圖6分別為頂梁三點(diǎn)加載、底座集中載荷組合加載和頂梁偏載工況下的等效應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D。

頂梁三點(diǎn)加載、底座集中載荷組合加載試驗(yàn)載荷為1.2倍工作阻力，主要考察結(jié)構(gòu)件是頂梁和底座。從圖5可以看出，頂梁和底座的應(yīng)力值比較大(后續(xù)分析中均不考慮墊塊與頂梁接觸產(chǎn)生的附近高應(yīng)力值，即圖中Max點(diǎn)處的值)，在該工況下，兩頂梁柱帽間蓋板上的應(yīng)力值比較大，主要在320～500 MPa之間，另外，左右兩側(cè)筋板邊緣處的應(yīng)力值也較大，這也是此處放置加強(qiáng)筋的原因；底座應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在底座后部，柱窩內(nèi)側(cè)主筋上部分應(yīng)力值比較大，主要分布在300～500 MPa之間，在局部位置達(dá)到508 MPa；掩護(hù)梁主要承受由頂梁摩擦力產(chǎn)生的向后的彎曲力作用，整體應(yīng)力值不大，應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在掩護(hù)梁后部銷(xiāo)軸孔附近的主筋板上，最大為295 MPa；前連桿主要受拉力的作用，后連桿受壓力的作用，除去局部應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力值較高外，前后連桿整體應(yīng)力分布較為均勻，應(yīng)力值都在100～200 MPa之間。

圖5 頂梁三點(diǎn)加載、底座集中載荷組合加載整架應(yīng)力分布圖Fig.5 The stress distribution of hydraulic support under top-beam three point loading and base concentrated loading condition

液壓支架頂梁偏載主要考察的結(jié)構(gòu)件是頂梁、掩護(hù)梁和前、后連桿，該工況加載力為1.1倍工作阻力。從圖6(a)可以看出，忽略墊塊與頂梁接觸處的最大應(yīng)力值724 MPa，頂梁應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在平衡千斤頂兩側(cè)的蓋板處，大小為450～500 MPa；掩護(hù)梁主要承受扭轉(zhuǎn)作用，除去耳板上的應(yīng)力集中點(diǎn)的局部應(yīng)力極值630 MPa外，掩護(hù)梁應(yīng)力值一般在480 MPa以下，其中，中間蓋板的應(yīng)力值最大，為480.37 MPa，前端中檔處幾塊蓋板上的應(yīng)力也比較大，且應(yīng)力分布形狀基本與蓋板形狀相同，使得蓋板周?chē)暮缚p處于同一等強(qiáng)度曲線(xiàn)上，另外，前端中檔處的焊縫較多，因此，如果焊縫質(zhì)量得不到保證，易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，若掩護(hù)梁再受到意外的載荷沖擊，則會(huì)發(fā)生損壞；前連桿最大應(yīng)力值為285 MPa，后連桿最大應(yīng)力值為402.41 MPa，應(yīng)力分布趨勢(shì)都與其扭轉(zhuǎn)方向保持一致。圖6(b)所示的位移分布圖顯示，支架的最大位移為48.4 mm，位于頂梁前端，且從上到下(頂梁-掩護(hù)梁-前后連桿-底座)變形量逐減。

圖6 頂梁偏載整架應(yīng)力與位移

兩種工況下，該支架的頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿、底座都存在局部性的高應(yīng)力區(qū)域。前連桿和后連桿的受力狀況比底座小的多，建議以后改進(jìn)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)有限元計(jì)算結(jié)果，適當(dāng)減小前連桿和后連桿結(jié)構(gòu)件的厚度和重量；掩護(hù)梁制造時(shí)，可采用合適的加工工藝，保證焊接質(zhì)量；底座前大腳在批量投產(chǎn)時(shí)可適當(dāng)加強(qiáng)板材的等級(jí)與厚度，防止疲勞失效；從而保證設(shè)計(jì)的高可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

1) 兩種工況下，液壓支架結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度總體是安全的，其受力分布呈區(qū)域性，底座應(yīng)力值較大，頂梁變形量較高，設(shè)計(jì)時(shí)，支架應(yīng)力高且變形小的部位應(yīng)選擇高強(qiáng)度板或適當(dāng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)，變形大的部位應(yīng)多用塑性好的材料。

2) 仿真結(jié)果顯示，支架模型簡(jiǎn)化處理，支架部件間接觸方式采用柔性體的面-面接觸法是可行的，能夠很好地滿(mǎn)足有限元法在液壓支架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析應(yīng)用中的需要。

3) 液壓支架設(shè)計(jì)工作中，運(yùn)用三維建模結(jié)合有限元分析計(jì)算法，可準(zhǔn)確找出液壓支架在受載工況下的薄弱環(huán)節(jié)，有利于對(duì)液壓支架進(jìn)行全面優(yōu)化設(shè)計(jì),從而在達(dá)到提高支架性能的同時(shí)，有效降低支架的重量及其制造成本。

[1]王國(guó)法.液壓支架技術(shù)研究體系與實(shí)踐[J].煤炭學(xué)報(bào),2010,35(11):1903-1908. WANG Guofa.Study and practices on technical system of hydraulic powered supports[J].Journal of China Coal Society,2010,35(11):1903-1908.

[2]陳靜.液壓支架強(qiáng)度可靠性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D].北京:中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2014.

[3]王國(guó)法.工作面支護(hù)與液壓支架技術(shù)理論體系[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(8):1593-1601. WANG Guofa.Theory system of working face support system and hydraulic roof support technology[J].Journal of China Coal Society,2014,39(8):1593-1601.

[4]曹方梅.ZY8800/22/45D型液壓支架有限元分析及強(qiáng)度優(yōu)化[D].成都:電子科技大學(xué),2008．

[5]劉新華,王國(guó)法,劉成峰,等.兩柱大采高液壓支架的整架有限元分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,38(8):93-96. LIU Xinhua,WANG Guofa,LIU Chengfeng,et al.Full set finite element analysis on two-leg high cutting hydraulic powered support[J].Coal Science and Technology,2010,38(8):93-96.

[6]李奇,李祥松.礦用液壓支架的整機(jī)有限元分析與加載試驗(yàn)[J].機(jī)械制造,2015(5):73-75. LI Qi,LI Xiangsong.Finite element analysis and loading test of mining hydraulic support[J].Machinery Manufacturing,2015(5):73-75.

[7]黃志新,劉成柱.ANSYS Workbench 14.0超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,2013:165-213.

[8]荊忠亮,趙彤涌,宋志強(qiáng).基于SolidWorks和ANSYS Workbench的液壓支架頂梁負(fù)載仿真分析[J].煤礦機(jī)械,2015,36(5):240-242. JING Zhongliang,ZHAO Tongyong,SONG Zhiqiang.Load simulation analysis of top beam of hydraulic support based on solid works and ANSYS Workbench[J].Coal Mine Machinery,2015,36(5):240-242.

[9]李燦,茍曉明,雷剛,等.礦用液壓支架強(qiáng)度分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)),2014,28(5):44-47. LI Can,GOU Xiaoming,LEI Gang,et al.Strength analysis of mine hydraulic support[J].Journal of Chongqing University of Technology (Natural Science),2014,28(5):44-47.

[10]王印軍,任勇生,孫丙磊,等.基于ANSYS的垂直軸風(fēng)力機(jī)塔架的力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011,30(5):96-102. WANG Yinjun,REN Yongsheng,SUN Binglei,et al.Mechanical analysis and structure optimization of tower frame of vertical axial fan based on Ansys[J].Journal of Shandong University of Science and Technology (Natural Science),2011,30(5):96-102.

[11]高有進(jìn).6.2米液壓支架關(guān)鍵技術(shù)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].武漢:華中科技大學(xué),2008．

[12]呂根帥,周玉乾,李雪偉.顯式動(dòng)態(tài)分析在液壓支架強(qiáng)度分析中的應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械,2011,32(1):28-30. Lü Genshuai,ZHOU Yuqian,LI Xuewei.The application of explicit dynamic analysis in the strength analysis of hydraulic support[J].Coal Mine Machinery,2011,32(1):28-30.

[13]賴(lài)周藝,吳培棟.ZY18000/32/70D型液壓支架主體結(jié)構(gòu)件有限元分析及試驗(yàn)研究[J].煤礦機(jī)械,2016,37(5):49-51. LAI Zhouyi,WU Peidong.Finite element analysis and experimental study on the main structure of ZY18000/32/70D hydraulic support[J].Coal Mine Machinery,2016,37(5):49-51.

[14]王國(guó)法,傅京昱.煤礦支護(hù)設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系與試驗(yàn)裝置研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2012,40(1):87-91. WANG Guofa,FU Jingyu.Study on technical standard system and test device of mine support equipment[J].Coal Science and Technology,2012,40(1):87-91.

[15]李翠勤.液壓支架主體結(jié)構(gòu)件疲勞壽命分析[D].太原:太原理工大學(xué),2012.

(責(zé)任編輯：李 磊)

Finite Element Analysis of the Main Components of Large Mining Height Hydraulic Support

CAO Lianmin1，WEI Cuicui1，WANG Penghuai1，HUANG Limin2，LIU Xudong2

(1. College of Mechanical and Electronic Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China; 2. Shennan Industrial Development Co. Ltd,Shanxi Coal Chemical Industry Group, Yulin, Shaanxi 719300, China)

The increased probability of side fall roof in thick coal and the deterioration of the force state of hydraulic support caused by the large working face mining height require higher reliability of main components of hydraulic support. To solve this problem, the ZY10000/26/55 hydraulic support was taken as the research object. A virtual prototype was established with the 3D modeling software of SolidWorks and a finite element model of hydraulic support was established with the ANSYS Workbench. The contact between the structural components of the hydraulic support was defined as surface-surface contact of the flexible body and the full set numerical simulation was carried out to study the stress states under two different inner loading conditions: the combined condition of top-beam three point loading and base concentrated loading and the beam deflection condition. By analyzing the calculation results, the stress and deformation characteristics of the large mining height hydraulic support were obtained, which could provide the reference for the optimal design of hydraulic support with higher reliability.

large mining height; hydraulic support; reliability; finite element analysis

2016-05-17

曹連民(1978—)，男，山東陵縣人，副教授，博士，主要從事礦山液壓支架、液壓傳動(dòng)與控制等方面的教學(xué)和科研工作.E-mail:skdclm@163.com 魏翠翠(1990—)，女，山東鄄城人，碩士研究生，主要從事大采高液壓支架可靠性方面的研究，本文通信作者.E-mail:skdwxc@126.com

TD355

1672-3767(2017)01-0094-05