液壓支架有限元應(yīng)力應(yīng)變的分析

運(yùn)健瑩

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電廠， 山西 太原 030024）

引言

液壓支架作為井下常見(jiàn)的支護(hù)設(shè)備由于工況環(huán)境差易發(fā)生偏載扭轉(zhuǎn)等破壞，所以對(duì)液壓支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是當(dāng)代熱門課題。此前李昊[1]對(duì)液壓支架的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法給出了歷史移架的時(shí)長(zhǎng)的置信區(qū)間，有效地降低了計(jì)算的耗時(shí)，提升了數(shù)據(jù)的可靠性。張?jiān)圼2]通過(guò)數(shù)值模擬軟件對(duì)液壓支架的幫板進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)將幫板設(shè)計(jì)為箱形梁結(jié)構(gòu)有效地降低了幫板的損壞，提升了幫板的剛度，為礦山提升經(jīng)濟(jì)效益作出貢獻(xiàn)。劉軍[3]為了解決掩護(hù)梁易發(fā)生斷裂的問(wèn)題，對(duì)液壓支架的掩護(hù)梁進(jìn)行可靠性優(yōu)化，有效地降低了掩護(hù)梁的受力情況，為液壓支架的優(yōu)化作出一定的貢獻(xiàn)。高耀東[4]利用Ansys 數(shù)值模擬軟件對(duì)液壓支架的運(yùn)動(dòng)仿真進(jìn)行優(yōu)化，改善了液壓支架的性能，同時(shí)降低了液壓支架的質(zhì)量，并通過(guò)驗(yàn)證可以有效地滿足生產(chǎn)的需求。本文對(duì)液壓支架的底座兩端加載加載下的應(yīng)力位移云圖進(jìn)行分析，對(duì)液壓支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，有效地提升了液壓支架的工作性能。

1 液壓支架應(yīng)力位移的分析

Ansys 是一種集合結(jié)構(gòu)、流體和聲學(xué)等為一體的模擬軟件，操作較為簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大。所以本文選定Ansys 模擬軟件對(duì)液壓支架進(jìn)行研究。利用PRO/E 對(duì)ZY4000/17/32 液壓支架進(jìn)行模型的導(dǎo)入，完成模型導(dǎo)入后對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，常見(jiàn)的液壓支架結(jié)構(gòu)材料為Q690，本文選定材料為Q690，材料的彈性模量為2.04×105MPa，材料的泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3，完成參數(shù)設(shè)定后對(duì)模型的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分時(shí)由于對(duì)網(wǎng)格需求不是很大，所以本文適當(dāng)?shù)臏p小模型的網(wǎng)格，加快計(jì)算的過(guò)程。完成網(wǎng)格劃分后對(duì)模型的約束及載荷進(jìn)行設(shè)置，液壓支架的頂梁和底座受到的外部載荷是由立柱傳遞上去的，所以將外部載荷的大小可以通過(guò)公式：

公式中：P1與P2分別為頂梁與底座的載荷，MPa；A1為活柱的橫截面積，取1.15×105mm2；A2為立柱缸體的橫截面積，取4.21×105mm2；θ1為立柱與頂梁的夾角，取72°；θ2為立柱缸體與底座的夾角，取78°；Fz為立柱的工作阻力，取907.2 kN。將參數(shù)的值代入公式中可以得出P1與P2分別為94.74 MPa和23.69 MPa。模型頂梁計(jì)算云圖如圖1 所示。

圖1 支架頂梁應(yīng)力與位移云圖

如圖1 為頂梁偏心加載、底座扭轉(zhuǎn)加載工況下的頂梁應(yīng)力及位移云圖，從圖中可以看出，如果將墊片的位置進(jìn)行忽略，頂梁的應(yīng)力云圖呈現(xiàn)出對(duì)稱分布，最大的應(yīng)力點(diǎn)出現(xiàn)在頂梁的左側(cè)筋板上，此位置的最大應(yīng)力為913.09 MPa，另外在頂梁的下蓋板位置出現(xiàn)較大的應(yīng)力值為720.19 MPa。頂梁的最大應(yīng)力值已經(jīng)趨近于材料的許用強(qiáng)度，所以可能發(fā)生破損。從頂梁的位移云圖可以看出，在垂直方向上頂梁的右側(cè)出現(xiàn)位移的最大值21.447 mm，同時(shí)位移隨著頂梁的橫向移動(dòng)出現(xiàn)了逐步減小的趨勢(shì)，在頂梁的左側(cè)出現(xiàn)位移的最小值0 mm。掩護(hù)梁的應(yīng)力及位移云圖如圖2 所示。

圖2 支架掩護(hù)梁應(yīng)力與位移云圖

從圖2 可以看出，液壓支架的掩護(hù)梁應(yīng)力云圖呈現(xiàn)出區(qū)域性分布，在掩護(hù)梁的前端部位的筋板上出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為913.09 MPa 由于掩護(hù)梁的最大應(yīng)力值小于Q690 材料的屈服強(qiáng)度，所以掩護(hù)梁在頂梁偏心加載、底座扭轉(zhuǎn)加載工況下并不會(huì)出現(xiàn)破壞的情況。從掩護(hù)梁的位移云圖可以看出，在垂直方向上掩護(hù)梁的右側(cè)出現(xiàn)位移的最大值21.447 mm，同時(shí)位移隨著掩護(hù)梁梁的向左側(cè)移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)了逐步減小的趨勢(shì)，在掩護(hù)梁的左側(cè)出現(xiàn)位移的最小值0。底座的應(yīng)力位移云圖如圖3 所示。

從圖3 可以看出，液壓支架的底座云圖呈現(xiàn)出區(qū)域性分布，在底座的過(guò)橋處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)的最大應(yīng)力值為915.09 MPa，此時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)力雖然小于材料的許用強(qiáng)度，但數(shù)值較為接近，易發(fā)生破損且由于動(dòng)載的原因底座的過(guò)橋處是材料的薄弱點(diǎn)，所以需要對(duì)其進(jìn)行一定的優(yōu)化。從液壓支架的底座位移云圖可以看出，在垂直方向上底座的右側(cè)出現(xiàn)位移的最大值21.447 mm，底座的位移變形主要集中在部件的右側(cè)，底座的左側(cè)位移變形量均較小，并不會(huì)出現(xiàn)明顯的位移變形，所以結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定。

圖3 支架底座應(yīng)力與位移云圖

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)頂梁偏心加載、底座承受扭矩的工況下的液壓支架各部分進(jìn)行應(yīng)力位移云圖的分析發(fā)現(xiàn)，在液壓支架的頂梁、掩護(hù)梁和底座部位出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可能損壞液壓支架進(jìn)而發(fā)生較大的事故，所以提出對(duì)液壓支架的各部件的改進(jìn)方案。

在頂梁部位將側(cè)板及護(hù)板的厚度進(jìn)行加大，在原有的基礎(chǔ)上加厚30 mm，為了考慮經(jīng)濟(jì)效益，將頂梁應(yīng)力呈現(xiàn)較小的部位前端蓋板進(jìn)行厚度的削減，削減到20 mm。掩護(hù)梁的中間筋板及兩端蓋板部位應(yīng)力集中，所以加大其厚度，將原有的30 mm 加大至35 mm，同時(shí)對(duì)掩護(hù)梁的側(cè)護(hù)板進(jìn)行厚度的削減，減小至20 mm。進(jìn)行底座優(yōu)化時(shí)考慮到其在底座過(guò)橋部位出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，將過(guò)橋部位的厚度加大值50 mm，底座側(cè)板的厚度削減至70 mm。優(yōu)化完成。對(duì)優(yōu)化后的液壓支架部件進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證的結(jié)果如下頁(yè)圖4 所示。

如圖4 所示為液壓支架頂梁、掩護(hù)梁和底座優(yōu)化后的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出優(yōu)化后的頂梁最大應(yīng)力值從原先的913.09 MPa 降低到了338.64 MPa，降低的效果明顯，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服應(yīng)力值，提升了頂梁的承壓性，有效的解決了頂梁應(yīng)力集中發(fā)生破壞的事故。同時(shí)在掩護(hù)梁的應(yīng)力集中部位最大應(yīng)力值從原有的710.19 MPa 降低至了263.4 MPa，降低的效果同樣明顯，同時(shí)掩護(hù)梁的側(cè)護(hù)板應(yīng)力變化趨勢(shì)不明顯。優(yōu)化后的底座在過(guò)橋位置應(yīng)力值從913.09 MPa 降低至了263.4 MPa，底座在扭轉(zhuǎn)的作用下過(guò)橋部位不會(huì)出現(xiàn)破壞。所以本次對(duì)液壓支架的優(yōu)化較為成功，有效地降低了液壓支架破壞的可能性，提升了礦山的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 優(yōu)化后液壓支架各部件應(yīng)力（MPa）云圖

3 結(jié)論

1）通過(guò)對(duì)液壓支架進(jìn)行數(shù)值模擬建模，分析了液壓支架的頂梁、掩護(hù)梁及底座的應(yīng)力位移云圖，發(fā)現(xiàn)部件在頂梁的側(cè)板及護(hù)板，掩護(hù)梁的中間筋板及兩端蓋板，底座過(guò)橋出現(xiàn)應(yīng)力過(guò)大的情況。

2）通過(guò)對(duì)模型應(yīng)力位移云圖分析，給出了液壓支架的頂梁、掩護(hù)梁和底座的優(yōu)化設(shè)計(jì)并降低了應(yīng)力較小區(qū)域的尺寸，降低了制作成本。

3）通過(guò)對(duì)優(yōu)化后的部件進(jìn)行模擬發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后的各部件應(yīng)力最大值都有了明顯的下降，有效地提升了液壓支架各部件的剛度，提升了礦山的經(jīng)濟(jì)。