ZY8700/17/32液壓支架底座有限元分析

徐鵬博

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

ZY8700/17/32液壓支架底座有限元分析

徐鵬博

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

對液壓支架底座合理簡化的基礎(chǔ)上，通過Pro/E建立了底座的三維模型，利用Ansys對其進(jìn)行有限元分析，得出了底座兩端集中受載與底座承受扭轉(zhuǎn)載荷工況下的應(yīng)力和位移云圖，揭示了液壓支架底座的應(yīng)力和位移的分布規(guī)律，為液壓支架的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

液壓支架；底座扭轉(zhuǎn)；有限元前處理

Finite Element Analysis of ZY8700/17/32 Hydraulic Support Base

液壓支架主要由頂梁、掩護(hù)梁、立柱、前后連桿和底座及附屬裝置等組成。底座是主要的承載部分，它的失效將直接影響液壓支架的支護(hù)性能。以ZY8700/17/32型液壓支架底座為例，進(jìn)行有限元分析，得出液壓支架通用技術(shù)條件規(guī)定工況和底座完全扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力和位移云圖，較為全面地指出危險截面，為液壓支架的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 底座三維建模

液壓支架底座是由厚鋼板焊接而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，其主要作用是將液壓支架承受的壓力傳至底板。底座既要有足夠的強(qiáng)度和剛度，又應(yīng)滿足底板比壓不超限[1]。底座的三維實體建模采用自上而下的方法進(jìn)行，即先根據(jù)各個零部件的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸關(guān)系建立各個零部件的三維模型，然后根據(jù)總裝關(guān)系進(jìn)行整體裝配。自上而下的建模方法能夠?qū)⒌鬃@種復(fù)雜件分成若干部分，提高了建模的效率。在建模的過程中對不影響分析結(jié)果的零部件和倒角、圓孔等進(jìn)行忽略處理。圖1為在Pro/E中建立的底座三維模型。

圖1 液壓支架底座

2 Hypermesh的前處理

2.1 定義單元類型和材料特性

液壓支架的底座材料是由Q550和Q690鋼板組成。考慮到兩種鋼材的彈性模量、泊松比及密度基本相同，所以統(tǒng)一材料特性為彈性模量E=210GPa;摩擦系數(shù)μ=0.3；密度ρ=7850kg/m3。針對底座的特殊構(gòu)造，選用實體單元solid45能更好地模擬液壓支架的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。solid45單元通過8個節(jié)點來定義，每個節(jié)點有3個沿著x，y，z方向平移的自由度，單元具有塑性、蠕變、膨脹、應(yīng)力強(qiáng)化、大變形和大應(yīng)變的能力。

2.2 邊界條件處理與載荷定義

根據(jù)液壓支架通用技術(shù)條件的規(guī)定，加載是通過立柱實現(xiàn)的，即將實際檢驗標(biāo)準(zhǔn)中的頂板平面加載等效地轉(zhuǎn)化為柱窩加載，即在三維模型中將頂梁和底座固定，在柱窩處加載，柱窩加載的示意[2]如圖2所示。

圖2 柱窩加載

檢驗標(biāo)準(zhǔn)包括底座兩端集中載荷、底座前扭轉(zhuǎn)和后扭轉(zhuǎn)3種工況，圖3所示為液壓支架3種工況下墊塊的位置分布。

圖3 3種工況墊塊分布

若僅以液壓支架通用技術(shù)條件規(guī)定的3種工況分析底座，則不能全面考察液壓支架底座支護(hù)時的力學(xué)特性，所以在綜合以上3種工況后，提出第4種工況，即底座完全扭轉(zhuǎn)的工況，如圖4所示。

圖4 底座完全扭轉(zhuǎn)

根據(jù)4種工況分別設(shè)置相應(yīng)的約束，依據(jù)試驗進(jìn)行有限元分析。將墊塊作為約束邊界處理，即將所有墊塊的約束都設(shè)置成dof1，dof2，dof3(分別為x，y，z方向的自由度)為0?？紤]到墊塊與底座充分接觸，位移很小，幾乎等于零，故設(shè)置約束墊塊垂直平動自由度dof3。考慮試驗加載時，底座兩邊都施加約束，約束住了其側(cè)向移動，故設(shè)置約束墊塊側(cè)向平動自由度dof2。在強(qiáng)的約束條件下，計算出來的結(jié)果偏于保守，相對安全，因此設(shè)置約束墊塊水平平動自由度dof1[3]。

根據(jù)液壓支架通用技術(shù)條件規(guī)定，加載按1.2倍的額定工作壓力對底座柱窩球面進(jìn)行等效加載，即：8700kN×1.2=10440kN，平均到單個立柱上的力為5220kN。

3 有限元結(jié)果分析

將在Hypermesh中設(shè)置好的模型導(dǎo)入到Ansys中求解，得到4種工況下的應(yīng)力與位移云圖。

3.1 底座兩端集中載荷

支架底座兩端集中載荷時的受載應(yīng)力與位移云圖如圖5所示。由圖5可知，最大應(yīng)力為421.398MPa。應(yīng)力主要集中在左右主筋板、柱窩與筋板以及柱窩與彎板連接處；最大變形也出現(xiàn)在上述地方，最大變形量為0.9661mm。

圖5 底座兩端集中受載應(yīng)力與位移分布

圖6 底座前扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與位移分布

3.2 底座前扭轉(zhuǎn)

支架底座前扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與位移分布如圖6所示。由圖6可知，最大應(yīng)力為597.573MPa，應(yīng)力主要集中在右前橋組件筋板、蓋板以及彎板處；最大變形出現(xiàn)在不加墊塊的一側(cè)左前端部，最大變形量為4.4882mm。

3.3 底座后扭轉(zhuǎn)

支架底座后扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與位移分布如圖7所示。由圖7可知，最大應(yīng)力為552.843MPa。應(yīng)力主要集中在左右主筋板、后橋彎板、左右筋板處以及弧形板與筋板、左主筋連接處；最大變形出現(xiàn)在不加墊塊的一側(cè)右后端部，最大變形量為5.7305mm。

圖7 底座后扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與位移分布

3.4 底座完全扭轉(zhuǎn)

支架底座完全扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與位移分布如圖8所示。

圖8 底座完全扭轉(zhuǎn)應(yīng)力與位移分布

由圖8可知，最大應(yīng)力為540.496 MPa。應(yīng)力主要集中在左中、右中主筋板、前橋左邊、左右平板處；最大變形出現(xiàn)在不加墊塊的一側(cè)右前端部，最大變形量為4.1702mm。

3.5 結(jié)果分析

通過對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定工況和底座完全扭轉(zhuǎn)工況下的應(yīng)力和位移云圖的有限元分析，得出以下結(jié)論：

(1)應(yīng)力最大的地方變形量不一定最大， 兩者之間沒有必然的聯(lián)系。

(2)底座扭轉(zhuǎn)工況下的最大應(yīng)力和最大變形量都比底座兩端集中載荷工況下大。

(3)底座完全扭轉(zhuǎn)工況下的最大變形量出現(xiàn)在不加墊塊一側(cè)的右前端部，這是因為載荷施加在柱窩處，柱窩的位置處于底座的前部，所以會造成最大變形量出現(xiàn)在不加墊塊一側(cè)的右前端部。

(4)底座兩端集中載荷和底座完全扭轉(zhuǎn)工況下整個底座基本上都有變形，而底座前、后扭轉(zhuǎn)工況下的變形主要集中在不加墊塊的一側(cè)。

4 結(jié)束語

通過有限元分析，指出了液壓支架底座在4種工況下的應(yīng)力集中部位，分析了最大應(yīng)力和最大變形量間的關(guān)系，為液壓支架的設(shè)計提供理論依據(jù)。

[1]徐鵬博.液壓支架虛擬壓架試驗方法研究[D].西安：西安科技大學(xué)，2014.

[2]吳義珍.ZF3500/17/29 型液壓支架頂梁的有限元應(yīng)力分析[D].西安：西安科技大學(xué)，2007.

[3]中華人民共和國煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).MT312-2000《液壓支架通用技術(shù)條件》[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[4]鄭蘭芳.液壓支架虛擬壓架試驗研究[J].煤礦開采，2010，15(4)：90-92，94.

[責(zé)任編輯：徐亞軍]

2016-08-12

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.011

徐鵬博(1986-)，陜西咸陽人，助理工程師，主要從事鉆機(jī)的設(shè)計與推廣工作。

徐鵬博.ZY8700/17/32液壓支架底座有限元分析[J].煤礦開采，2017，22(1)：47-49.

TD355.41

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1006-6225(2017)01-0047-03