ZY10800/28/63D 型液壓支架底座的強(qiáng)度計(jì)算與對(duì)比分析

李寶龍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)機(jī)電管理部，山西 大同 037000）

引言

ZY10800/28/63D 型大采高液壓支架是鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)公司為晉能控股煤業(yè)集團(tuán)設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一種強(qiáng)力大采高掩護(hù)式支架，支護(hù)高度為世界之最。其特點(diǎn)是配套大、調(diào)高范圍大、移架速度快、工作面產(chǎn)量大。為保證支架的適應(yīng)性和可靠性，在項(xiàng)目運(yùn)作過(guò)程中，神華集團(tuán)公司及神東分公司多次邀請(qǐng)國(guó)內(nèi)有關(guān)專家對(duì)支架的整體方案進(jìn)行了反復(fù)論證，要求支架高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)制造，支架參考?xì)W洲CE 支架標(biāo)準(zhǔn)和M312-2000 標(biāo)淮對(duì)支架做型式試驗(yàn)。鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)為保證支架的高可靠性，在設(shè)計(jì)過(guò)程中運(yùn)用各種手段對(duì)支架各種工況進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善支架的受力狀況，提高支架的可靠性。

新的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)大量參考?xì)W洲CE 標(biāo)準(zhǔn)，采用復(fù)合加載，支架底座受力狀況尤其惡劣，共有彎曲、扭轉(zhuǎn)、前端加載、后端加載、三點(diǎn)加載、四點(diǎn)加載、對(duì)稱邊緣加載、同側(cè)邊緣加載八種，其中扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)工況底座受力最為惡劣[1-2]。在支架樣機(jī)產(chǎn)出以后，又在底座上選取了8 個(gè)點(diǎn)對(duì)實(shí)際試驗(yàn)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，以此來(lái)比較、修正計(jì)算數(shù)據(jù)，為以后支架設(shè)計(jì)工作中更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果提供科學(xué)的依據(jù)。

1 底座平面力系計(jì)算

平面力系計(jì)算采用晉能控股煤業(yè)集團(tuán)與鄭州大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的液壓支架平面力系計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算內(nèi)容主要是彎矩和安全系數(shù)，平面力系軟件模擬的是底座彎曲，其準(zhǔn)確度在晉能控股煤業(yè)集團(tuán)多年的支架設(shè)計(jì)中已經(jīng)得到實(shí)踐的檢驗(yàn)，2005 年為適應(yīng)發(fā)展的需要，也進(jìn)行了軟件的擴(kuò)展升級(jí)，同大型軟件相比，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快、參數(shù)調(diào)整方便直觀，適合于支架設(shè)計(jì)前期的選型和參數(shù)優(yōu)化。

為了便于計(jì)算數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，平面力系計(jì)算中支架模擬支架在試驗(yàn)臺(tái)下受力狀態(tài)，參數(shù)局部調(diào)整如下：試驗(yàn)壓力12 960 N（1.2 倍工作阻力）；摩擦系數(shù)0.15（鋼一鋼）；平衡千斤頂0（浮動(dòng)）；支架高度4.5 m。

選取試驗(yàn)高度4.5 m 時(shí)，底座柱窩處彎矩10 300.1 kN·m 作為安全系數(shù)計(jì)算的數(shù)據(jù)。底座柱窩受結(jié)構(gòu)限制上部無(wú)法形成箱體，對(duì)底座安全系數(shù)的計(jì)算往往選取柱窩處斷面，其截面圖如圖1 所示。

圖1 液壓支架底座強(qiáng)度計(jì)算取點(diǎn)位置示意圖

柱窩結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在計(jì)算中簡(jiǎn)化成5、6、7 號(hào)板件，如截面圖中虛線所示，各零件信息見(jiàn)表1 所示。

表1 液壓支架底座各零件信息

將相應(yīng)參數(shù)輸入到液壓支架平面力系計(jì)算軟件中，計(jì)算可得：上表面最小安全系數(shù)為2.05，上表面應(yīng)力值為336.6 MPa。

2 三維有限元算法

支架三維建模軟件采用pro-e，有限元分析軟件采用NX-Nastran，有限元法的基本思路是將連續(xù)系統(tǒng)分割成有限個(gè)分區(qū)或單元，對(duì)每個(gè)單元提出一個(gè)近似解，再將所有單元按標(biāo)準(zhǔn)方法加以組合，從而形成原有系統(tǒng)的一個(gè)數(shù)值近似系統(tǒng)，也就是形成相應(yīng)的數(shù)值模型，通過(guò)對(duì)數(shù)值模型的計(jì)算達(dá)到對(duì)原有系統(tǒng)計(jì)算的目的。

2.1 扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力值計(jì)算

支架模擬實(shí)驗(yàn)條件-頂梁側(cè)護(hù)板彎曲加載、底座扭轉(zhuǎn)加載進(jìn)行整架分析運(yùn)算，計(jì)算后單獨(dú)提取底座應(yīng)力值，底座應(yīng)力值結(jié)果為：點(diǎn)1 為529.04 MPa、點(diǎn)2 為127.46 MPa、點(diǎn)3 為165.52 MPa、點(diǎn)4 為239.43 MPa、點(diǎn)5 為317.25 MPa、點(diǎn)6 為454.52 MPa、點(diǎn)7 為361.02 MPa、點(diǎn)8 為109.01 MPa。

2.2 彎曲工況下應(yīng)力值計(jì)算

在模擬底座扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，點(diǎn)5 應(yīng)力值明顯不同于彎曲狀態(tài)，不能和平面力系按彎曲運(yùn)算的應(yīng)力值作對(duì)比，故需模擬底座彎曲工況，以形成平面力系、有限元算法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)照。點(diǎn)5 應(yīng)力值在彎曲工況下模擬后應(yīng)力值為：點(diǎn)5：332.183 MPa。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

支架強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力測(cè)量委托太原機(jī)械研究所于2017 年3 月1—4 日進(jìn)行，本次測(cè)量采用華東電子儀器有限公司生產(chǎn)的YJ-33 型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，測(cè)量應(yīng)變片采用鄭州機(jī)械研究所生產(chǎn)的BX1203AA 單向應(yīng)變片、BX120-3BA 雙向應(yīng)變花和BX120-3CA三向應(yīng)變花，以適用于不同測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力場(chǎng)。

加載項(xiàng)目：頂梁側(cè)護(hù)板彎曲加載、底座扭轉(zhuǎn)加載。強(qiáng)度試驗(yàn)壓力：1.2 倍工作阻力，檢測(cè)底座應(yīng)力值數(shù)據(jù)為：點(diǎn)1 為-183.5 MPa、點(diǎn)2 為122.7 MPa、點(diǎn)3為159.5 MPa、點(diǎn)4 為-225.1 MPa、點(diǎn)5 為-301.8 MPa、點(diǎn)6 為-505.7 MPa、點(diǎn)7 為-400.7 MPa、點(diǎn)8為46.5 MPa。

加載項(xiàng)目：頂梁偏載、底座彎曲加載強(qiáng)度試驗(yàn)壓力為1.2 倍工作阻力。檢測(cè)底座應(yīng)力值數(shù)據(jù)為-319.1 MPa（點(diǎn)5）。

4 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

1）平面力系計(jì)算、有限元法計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比由于平面力系計(jì)算考慮的是彎曲狀態(tài)，與平面力系的對(duì)比只能采用底座彎曲這工況，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 底座彎曲工況下應(yīng)力對(duì)比數(shù)據(jù)情況表

2）有限元算法與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比有限元算法與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比選用底座試驗(yàn)中最惡劣的工況-底座扭轉(zhuǎn)，其應(yīng)力值對(duì)比數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 底座扭轉(zhuǎn)工況下應(yīng)力對(duì)比數(shù)據(jù)情況表

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)比可以看出，從點(diǎn)2 到點(diǎn)7 的應(yīng)力值有限元算法與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差不大于10%，可以認(rèn)為計(jì)算和實(shí)際應(yīng)力大小相吻合，其中點(diǎn)5 位于柱窩中心截面，其應(yīng)力值和平面力系算法、有限元算法得出的應(yīng)力值偏差5%左右。點(diǎn)1 的計(jì)算應(yīng)力值與試驗(yàn)值相差較遠(yuǎn)，根據(jù)以往支架設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)，點(diǎn)1 所處的位置正是最易損壞的位置，是底座設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)，有限元法得出的529MPa 比試驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度高，分析偏離原因?yàn)樵撎帒?yīng)變片貼合不緊密。點(diǎn)8 屬于小變形，不確定因素影響較多，偏離較大。

對(duì)理論計(jì)算值和試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析可知，在液壓支架設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用底座平面力系計(jì)算軟件和有限元分析軟件是準(zhǔn)確的、可靠的，通過(guò)前期的計(jì)算可以有效地優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本，提高支架的可靠性。