液壓支架關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)特性仿真與分析

高 虎

（棗莊科技職業(yè)學(xué)院，山東棗莊 277599）

0 引言

液壓支架一種重要的機(jī)械工程支護(hù)設(shè)備，在礦產(chǎn)開(kāi)采、巷道施工、橋梁建設(shè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。安全性和穩(wěn)定性是液壓支架最重要的性能要求，是相關(guān)企業(yè)高效生產(chǎn)的關(guān)鍵保障。目前，國(guó)內(nèi)液壓支架的研發(fā)技術(shù)仍落后于國(guó)外先進(jìn)水平，主要以較高的安全系數(shù)為設(shè)計(jì)依據(jù)，對(duì)于執(zhí)行機(jī)構(gòu)或承載部件的動(dòng)態(tài)特性[2-5]尚不夠重視。根據(jù)液壓支架的工作原理可知，支撐體系為連桿機(jī)構(gòu)。在產(chǎn)品研發(fā)方面，多數(shù)采用物理樣機(jī)模型來(lái)校驗(yàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是否發(fā)生干涉或者強(qiáng)度不足等問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)方式獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)雖然具有良好的可靠性[6]，但是對(duì)于新產(chǎn)品研發(fā)往往存在一定的盲目性。為確保產(chǎn)品具有較高的安全系數(shù)，承載部件的選取往往會(huì)導(dǎo)致局部不合理。

為此，本文采用有限元方法對(duì)液壓支架的關(guān)鍵部件進(jìn)行仿真分析。有限元分析是一種有效地工程設(shè)計(jì)和分析手段，在處理復(fù)雜工作條件具有較高的計(jì)算精度[7-9]，對(duì)各類載荷的適應(yīng)能力良好，是一種有效的CAE 研究手段，逐步成為產(chǎn)品研發(fā)、優(yōu)化再造、性能校核等工程研究不可缺少的技術(shù)方案。目前，有限元計(jì)算軟件類型較多，其中ANSYS 在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用率和認(rèn)可程度最高，經(jīng)過(guò)多次版本更新，逐步拓展功能，能夠完成強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算。有限元分析方法的應(yīng)用可大大縮減產(chǎn)品研發(fā)周期，確保設(shè)計(jì)的科學(xué)性和合理性。

1 液壓支架工作原理及功能分析

1.1 支架類型與特點(diǎn)

液壓支架的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，組成部件較多，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理可分為：支撐頂梁、堅(jiān)固底座、推移橫架、液壓立柱、承載梁等。根據(jù)不同工作環(huán)境，衍生出眾多液壓支架類型和結(jié)構(gòu)。目前，工程上應(yīng)用較多的液壓支架主要有3 種類型，包括支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架。

（1）支撐式液壓支架

該類型的液壓支架是一種早期結(jié)構(gòu)，主要體現(xiàn)在支撐力的提升，在一些硬質(zhì)頂板的支護(hù)方面有著良好的工作效果。得益于強(qiáng)大的支撐力，能夠顯著抵抗周期性沖擊明顯的巖層。支撐式液壓支架分為兩種結(jié)構(gòu)形式：節(jié)式和垛式。兩者的區(qū)別主要在于支架前梁的長(zhǎng)度，而且支柱的垂直狀態(tài)需要根據(jù)支撐力的預(yù)設(shè)來(lái)設(shè)定。液壓立柱與頂梁相互協(xié)同工作，對(duì)于支護(hù)空間的調(diào)節(jié)也相對(duì)簡(jiǎn)單。若巖層出現(xiàn)垮落，則能夠控制垮落方向在支架后方，避免二次事故。但是，該類型支架對(duì)于橫向載荷的支撐相對(duì)較差。

（2）掩護(hù)式液壓支架

相比支撐式液壓支架，其頂梁的尺寸相對(duì)較小，因此能夠有效地提供橫向支撐力，對(duì)于復(fù)雜巷道的支護(hù)效果較好。掩護(hù)式液壓支架的自由度相對(duì)較高，因此在靈活性較高巖層環(huán)境下能夠獲得更好的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。但是，該類型的液壓支架對(duì)于生產(chǎn)規(guī)模有著較強(qiáng)的限制，運(yùn)行的阻力較大，大范圍內(nèi)使用存在較大難度。

（3）支撐掩護(hù)式支架

該類型的液壓支架能夠有效地將前兩種支架進(jìn)行結(jié)合，能夠在橫向和垂向方向均獲得良好的支撐力。支撐掩護(hù)式液壓支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)較為鮮明，其關(guān)鍵的四連桿機(jī)構(gòu)主要位于巷道的采空區(qū)位置，角度控制方便，即使在較大的傾角條件下仍能夠保持較高的穩(wěn)定性。但是該類型的液壓支架研發(fā)成本和制造成本較高，體積相對(duì)較大，在實(shí)際工程上的運(yùn)輸、裝配、移架等工作的難度較大，因此在環(huán)境要求較高或貴重金屬礦產(chǎn)開(kāi)發(fā)時(shí)的應(yīng)用較多。

1.2 功能機(jī)理分析

液壓支架屬于復(fù)雜的機(jī)電液一體化設(shè)備，動(dòng)力來(lái)源為液壓系統(tǒng)，在增壓平臺(tái)的作用下實(shí)現(xiàn)不同方向上的壓力載荷，同時(shí)與其它支護(hù)或開(kāi)采設(shè)備協(xié)同運(yùn)行，從而確保開(kāi)采面的安全性。液壓支架類型的選取需要根據(jù)實(shí)際的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。液壓支架在工作時(shí)，除了對(duì)巷道圍巖進(jìn)行特定的支護(hù)，還將有效地緩解相關(guān)部件產(chǎn)生的振動(dòng)。因此，液壓支架的分析設(shè)計(jì)除了強(qiáng)度之外，還需要對(duì)底座等關(guān)鍵零件進(jìn)行模態(tài)分析。由于液壓支架承受的載荷較為復(fù)雜，部件較多，功能設(shè)計(jì)考慮的因素除了基本的載荷和位移，還還包括巖層傾角、巷道高度等外部因素。液壓支架的功能設(shè)計(jì)主要采用類比法，即針對(duì)主流支架結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)對(duì)比分析，將功能設(shè)計(jì)與選型設(shè)計(jì)相結(jié)合，最終得出適應(yīng)能力最強(qiáng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。隨著當(dāng)代分析設(shè)計(jì)方法的發(fā)展和應(yīng)用，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行輔助分析成為結(jié)構(gòu)校驗(yàn)的關(guān)鍵工具之一。

2 液壓支架的有限元分析

2.1 研究方案

有限元是機(jī)械工程領(lǐng)域的有效分析工具，其能夠?qū)?fù)雜的物理現(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)化，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值的搜索。有限元計(jì)算本質(zhì)上為迭代運(yùn)算，是對(duì)離散數(shù)學(xué)方程的近似求解。離散方程組的數(shù)量是決定有限元分析精度和效率的關(guān)鍵因素，微分方程的離散形式和求解方法對(duì)于求解結(jié)果的可靠性也有重要的影響。對(duì)于液壓支架的完整分析計(jì)算而言，其關(guān)鍵步驟包括有限元模型的建立、載荷類型分析、材料屬性施加、網(wǎng)格劃分、載荷與邊界條件定義等。其中，載荷與邊界條件是有限元分析的難點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜的載荷需要通過(guò)力學(xué)分析進(jìn)行等效和簡(jiǎn)化。在靜力學(xué)分析中，要求自由度為0，但是可以添加慣性載荷。在網(wǎng)格劃分階段，需要根據(jù)有限元模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行選取有效的單元類型[10]。復(fù)雜結(jié)構(gòu)以四面體網(wǎng)格為主，否則將出現(xiàn)較大的網(wǎng)格畸變問(wèn)題，嚴(yán)重影響計(jì)算的精度。在后處理方法，有限元軟件ANSYS 能夠針對(duì)用戶要求，導(dǎo)出不同的云圖或表單數(shù)據(jù)，有效地查看載荷響應(yīng)效果，比如變形、應(yīng)力、應(yīng)變、反作用力等。

2.2 整體強(qiáng)度特性分析

液壓支架的強(qiáng)度設(shè)計(jì)在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)均有著嚴(yán)格的要求，而且對(duì)于不同類型的工作環(huán)境和部件的安全性能要求不同。為了確保整體液壓支架分析的可靠性，在載荷施加方面，文中對(duì)頂梁選用扭轉(zhuǎn)載荷，兩側(cè)設(shè)置為集中載荷。對(duì)于不同的扭轉(zhuǎn)方向，均通過(guò)自由度的約束來(lái)實(shí)現(xiàn)。建立液壓支架的整體裝配有限元模型后，可進(jìn)行網(wǎng)格劃分。有限元分析軟件內(nèi)設(shè)置有3 種網(wǎng)格劃分模式：自由網(wǎng)格劃分、映射網(wǎng)格劃分和掃掠網(wǎng)格劃分。由于模型為裝配圖結(jié)構(gòu)，可針對(duì)模型的復(fù)雜或規(guī)則程度進(jìn)行合理選擇，最終的出網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分結(jié)果

液壓支架整體的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果如圖2 所示，可以看出：最大應(yīng)力位置分布在底座前段和頂板兩側(cè)位置，計(jì)算出的最大應(yīng)力值為779.821 MPa，未超過(guò)材料的屈服極限；各個(gè)承載部件的安全性均較高，應(yīng)力分布未出現(xiàn)明顯的不連續(xù)性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

圖2 整體應(yīng)力云圖

在巨大的支撐力條件下，底座呈現(xiàn)出良好的載荷特性，得益于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，應(yīng)力分布同樣具有對(duì)稱性特點(diǎn)。較大的應(yīng)力位置為主筋和前端面，距離柱窩較近的位置存在具有較大現(xiàn)象，未超過(guò)材料的屈服極限。相比底座，其他位置的應(yīng)力和變形相對(duì)較小，總體的強(qiáng)度特性良好。當(dāng)出現(xiàn)異常載荷時(shí)，在頂梁位置設(shè)置非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，計(jì)算得出底座的載荷響應(yīng)。結(jié)果表明，在非對(duì)稱載荷作用下，載荷呈現(xiàn)的應(yīng)力分布差別不大，最大應(yīng)力仍分布在前端。底座靜載荷分析能夠有效滿足最大支撐力要求，但是對(duì)于不穩(wěn)定圍巖條件，應(yīng)當(dāng)采用動(dòng)態(tài)分析方案。因此，對(duì)底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，能夠有效地得出不同激振情況下的動(dòng)力響應(yīng)[11]，對(duì)于結(jié)構(gòu)的優(yōu)化有著關(guān)鍵的作用。

2.3 底座模態(tài)特性分析

液壓支架的振動(dòng)和噪聲是難以避免的外部因素，若外部激振頻率與自身機(jī)械結(jié)構(gòu)接近時(shí)，將對(duì)整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生明顯的影響[12]。底座的模態(tài)分析同樣采用有限元分析軟件ANSYS 實(shí)現(xiàn)，根據(jù)振型結(jié)果判定結(jié)構(gòu)是否存在薄弱情況。將底座的有限元模型簡(jiǎn)化后進(jìn)行模態(tài)計(jì)算，將對(duì)模型剛度影響較小的結(jié)構(gòu)刪除，比如倒角、圓角和尺寸較小的槽結(jié)構(gòu)。在ANSYS Workbench 中，采用自由網(wǎng)格劃分方法，選用較大的相關(guān)度，得出底座元件的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3 所示。其中單元數(shù)為365 489，節(jié)點(diǎn)數(shù)為562 805。

圖3 底座網(wǎng)格劃分

將立柱接觸面進(jìn)行固定約束，在有約束條件下，對(duì)底座的模態(tài)特性進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)有限元模態(tài)計(jì)算原理可知，固有頻率的數(shù)量為無(wú)窮多個(gè)，隨著階數(shù)的增大，計(jì)算誤差隨之增大。為此，選取前15 階模態(tài)作為分析目標(biāo)。其中，前兩階的振型云圖如圖4 所示。根據(jù)分析結(jié)果可知：底座結(jié)構(gòu)的固有頻率主要分為3 個(gè)階段，其中1～7 階固頻在200～400 Hz 之間；8～12 階固頻在500～600 之間；13～15 階固頻在700～800 之間；低階模態(tài)的穩(wěn)定性較高，最大振型位移位置位于底座的前端面，與強(qiáng)度分析結(jié)果一致；在振型分析結(jié)果中，位移量并非真實(shí)變形效果，而是振動(dòng)響應(yīng)幅值的相對(duì)量。液壓支架的底座作為關(guān)鍵的承載部件，其剛度和強(qiáng)度的主要薄弱環(huán)節(jié)在于前端面。為確保整體的承載效果，可將前端面的厚度增大，后端面的厚度減小，可以在確保總體性能不降低的前提下實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。液壓支架的總體強(qiáng)度分析和關(guān)鍵部件的剛度分析是機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要依據(jù)，也是液壓支架產(chǎn)品研發(fā)的新手段。

圖4 底座振型云圖

3 結(jié)束語(yǔ)

液壓支架作為機(jī)械工程和礦業(yè)工程領(lǐng)域內(nèi)不可缺少的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，其各方面的性能非常重要，是確保安全生產(chǎn)的保障。為擺脫傳統(tǒng)試驗(yàn)研發(fā)方案帶來(lái)的高成本、長(zhǎng)周期和反復(fù)性等問(wèn)題，文中運(yùn)用有限元方法，基于ANSYS 軟件對(duì)液壓支架的強(qiáng)度和關(guān)鍵部件的模態(tài)特性進(jìn)行了仿真分析。根據(jù)仿真結(jié)果可知，液壓支架的總體強(qiáng)度良好，最大應(yīng)力低于材料的屈服極限；由于液壓支架為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，應(yīng)力的連續(xù)性較為顯著；底座的前端面結(jié)構(gòu)具有一定的優(yōu)化空間，可將該位置結(jié)構(gòu)進(jìn)一步加固，并將其它結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化，實(shí)現(xiàn)性能的進(jìn)一步優(yōu)化。在模型轉(zhuǎn)換方面，文中采用軟件平臺(tái)內(nèi)部接口，避免格式轉(zhuǎn)變時(shí)存在數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題。針對(duì)模型特點(diǎn)，對(duì)于后續(xù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化可采用拓?fù)湫问?，便于研發(fā)成本的進(jìn)一步降低。