基于SolidWorks的垂直導柱式充填液壓支架有限元分析

張恩顯

(河北工程大學機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038)

0 引言

薄煤層煤炭儲量占我國已探明比例20%左右[1]，近年來中厚煤層儲量的減少，使得開采的深度和難度加大，薄煤層開采受到的關(guān)注逐步加深。目前薄煤層開采主要采用掩護式液壓支架[2]，充填液壓支架的應用較少，主要原因是薄煤層空間狹小，工人視線受到四連桿機構(gòu)影響無法有效判斷充填效果，容易發(fā)生機構(gòu)干涉，采充過程效率低[3]。

為解決中薄煤層充填空間可視面積不足無法有效判斷充填效果的問題，根據(jù)某礦需求研發(fā)了ZC14400-16-31型充填液壓支架。其承載結(jié)構(gòu)由雙鉸接頂梁、前后立柱、平衡千斤頂和垂直導柱組成，主要設計特點在于采用垂直導柱式設計，前后頂梁及導向柱三點合一鉸接在一起，導向柱分布在兩側(cè)，使中間完全解放，提供足夠大的可視空間，并且該垂直導柱具有承受頂板的水平分力和側(cè)向力，使立柱不受側(cè)向力的作用，進一步增加了薄煤層充填開采的效率。

計算機輔助設計軟件的快速發(fā)展為機械結(jié)構(gòu)的設計提供了巨大的便捷，目前針對液壓支架的有限元仿真主要從強度分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進行檢驗與優(yōu)化。我國常常采用液壓支架加載試驗臺的方式進行典型工況的強度檢驗[4]，在設計階段利用實物加載會產(chǎn)生嚴重的成本浪費，于是利用計算機輔助軟件實現(xiàn)加載試驗臺的工作是設計階段的最便利方法[5-6]。本文基于國家標準《煤礦用液壓支架》通用技術(shù)中涉及到的校核方案，結(jié)合充填開采液壓支架特點，檢驗在4種不同工況下支架的應力位移分布狀態(tài)，以確保該新型充填液壓支架的工作可靠性并為進一步優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

1 充填液壓支架有限元分析

1.1 液壓支架三維模型建立

根據(jù)ZC8000-16-31型固體充填液壓支架性能參數(shù)，利用SolidWorks 2021三維建模軟件對液壓支架主體零件進行建模，分析各零部件特征，利用拉伸、切除等特征命令進行繪制。在SolidWorks裝配體界面進行液壓支架主體結(jié)構(gòu)的組裝，利用重合、等寬、同軸心等約束配合，實現(xiàn)對零部件的自由度控制，使裝配體可滿足設計功能。零件之間應準確配合，反復進行靜態(tài)干涉檢查，檢查裝配體是否重疊，為有限元分析結(jié)果提供可靠性。液壓支架三維實體模型如圖1所示。

圖1 液壓支架三維實體模型

1.2 模型簡化

為了提高有限元分析的效率，降低因模型太過復雜而要求過高配置的計算機需求，因此需要對已完成的液壓支架實體模型進行合理的簡化，對于在分析中不承受加載力的伸縮梁、推移桿、護幫板等附件或配件從模型中刪除。同時起連接作用的銷軸、閥座也全部去除。對于雙鉸接頂梁、垂直導柱、平衡千斤頂、前后立柱、底座、推實機構(gòu)進行機構(gòu)優(yōu)化，去除或簡化倒角、焊件坡口等工藝機構(gòu)，從而降低有限元網(wǎng)格劃分的個數(shù)，減少有限元分析難度，提高運算效率，保證有限元分析的可靠性。

1.3 液壓支架主體結(jié)構(gòu)件加載方案

根據(jù)國家標準《煤礦用液壓支架》通用技術(shù)條件中的主體結(jié)構(gòu)件強度校核初始條件與文獻[5]提出充填液壓支架加載方案，結(jié)合液壓支架的參數(shù)可得，檢驗強度的初始條件為：頂梁偏載時，支架高度為1.9 m；除頂梁偏載，其他檢測時支架高度為2.5 m；頂梁實施1.2倍額定工作壓力載荷，即17 280 kN，即每個立柱4 320 kN。

根據(jù)國家標準《煤礦用液壓支架》通用技術(shù)條件中的主體結(jié)構(gòu)件強度校核的加載方法，確定4種加載工況，即前后頂梁兩端加載、底座扭轉(zhuǎn)；前后頂梁扭轉(zhuǎn)、底座對稱加載；前后頂梁偏載、底座偏載；前后頂梁縱向、底座橫向中間加載。為模擬實際試驗臺對支架的限制作用，利用0自由度墊鐵安置在上述4種工況的位置。

2 預處理

1)充填液壓支架的主要零部件采用了屈服強度為460 MPa的Q460，垂直導柱采用屈服強度為835 MPa的27SiMn合金鋼。

2)利用“固定幾何體”限制墊塊的6個自由度。

3)利用“銷釘”替換雙頂梁鉸接處、導向柱與底座鉸接處的銷軸。

4)為模擬真實接觸情況，面—面之間為“本地交互”中所有的接觸面特征“接觸”，摩擦系數(shù)為0.15。

5)液壓支架的加載方式為“內(nèi)加載”，選擇“遠程承載/質(zhì)量”載荷布置方式。在前、后立柱與頂梁、底座鉸接處利用“遠程承載/質(zhì)量”施加支撐力。

6)模型采用自由網(wǎng)格劃分，單獨對底座進行網(wǎng)格劃分，其余主體間采用基于曲率的網(wǎng)格劃分。最大單元40 mm，最小單元20 mm；網(wǎng)格品質(zhì)：高；雅各比點：16點；4次網(wǎng)格劃分節(jié)總數(shù)均在14 0000左右，單位總數(shù)75 000左右。

3 后處理分析

3.1 前后頂梁兩端加載、底座扭轉(zhuǎn)

按照工況一的條件進行加載運算，由圖2可知，在底座前墊塊上出現(xiàn)一定范圍的應力集中問題，最大應力達到665.7 MPa，從工程時間的角度分析，該部位很少發(fā)生類似的破壞，因此可推算出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是由于墊塊與頂梁的接觸面積較小導致的。因此不作為參考數(shù)據(jù)。除此之外，前后頂梁鉸接處，底座過橋位置，均具有較大的應力集中。其中前、后頂梁的最大應力達到441 MPa和436 MPa，過橋處的最大應力為431 MPa，均未超過材料的屈服極限；加載后液壓支架的最大位移變形量發(fā)生在后頂梁中部主筋處，最大值為7.5 mm，其他零件最大應力值均低于最大屈服強度460 MPa，由此可知工況一下液壓支架滿足設計與使用要求。

(a)前后頂梁兩端加載、底座扭轉(zhuǎn)應力云圖 (b)前后頂梁兩端加載、底座扭轉(zhuǎn)位移云圖

3.2 前后頂梁扭轉(zhuǎn)、底座對稱加載

按照工況二的條件進行加載運算。由圖3可知底部墊塊與頂梁墊塊邊角出現(xiàn)應力集中的現(xiàn)象，最大應力達到1 632 MPa，在實際應用中并不會出現(xiàn)這種問題。忽略墊塊的影響，液壓支架前后頂梁的最大應力分別為432 MPa、405 MPa，分別出現(xiàn)在雙頂梁鉸接處；加載后液壓支架的最大位移變形量發(fā)生在后頂梁中部主筋處，最大值為7.892 mm。其他零件最大應力值均低于最大屈服強度460 MPa，由此可知工況二下液壓支架滿足設計和使用要求。

(a)后頂梁扭轉(zhuǎn)、底座對稱加載應力云圖 (b)后頂梁扭轉(zhuǎn)、底座對稱加載位移云圖

3.3 前后頂梁偏載、底座偏載

按照工況三的條件進行加載運算。由圖4可知最大應力出現(xiàn)在出自垂直導柱與底座鉸接處，最大應力值達到792 MPa。垂直導柱采用的材料為27SiMn合金鋼，屈服強度達到835 MPa，滿足不發(fā)生破壞最大應力值的需求。前后頂梁的最大應力發(fā)生在與垂直導柱的鉸接處，最大值分別為436 MPa、416 MPa。前后頂梁采用Q460，屈服強度460 MPa，滿足前后頂梁不發(fā)生失效的極限強度條件，其他零件最大應力值均低于最大屈服強度460 MPa。最大形變量10 mm發(fā)生在后頂梁末端。

(a)前后頂梁偏載、底座偏載應力云圖 (b)前后頂梁偏載、底座偏載位移云圖

3.4 前后頂梁縱向、底座橫向中間加載

按照工況四的條件進行加載運算。由圖5可知頂梁墊塊與底座墊塊發(fā)生應力集中的現(xiàn)象，最大應力發(fā)生在底座墊塊處，為288 MPa，前后頂梁、底座的最大應力分別為182 MPa、187 MPa和168 MPa，都小于Q460的屈服強度460 MPa；發(fā)生明顯位移的位置出現(xiàn)在前頂梁末端、頂梁柱窩和底座前端。分析原因是墊塊的空間限制產(chǎn)生的，最大位移1.034 mm。綜上分析，液壓支架在該工況下可以完成支護工作。

(a)前后頂梁縱向、底座橫向中間加載應力云圖 (b)前后頂梁縱向、底座橫向中間加載位移云圖

經(jīng)過對上述4種工況下的有限元分析。如果排除了墊塊因素，該液壓支架所有部分的最大應力值均在材料的屈服強度內(nèi)，且最大變形值也均在合理范圍內(nèi)。頂梁應力最大的部位出現(xiàn)在中心鉸合與梁窩段，垂直導梁應力最大的部位出現(xiàn)在底座耳板部，底座內(nèi)部應力最大為部位出現(xiàn)在穿越橋梁處。根據(jù)上述問題可考慮選用高強度材料及助板加厚處理，增加總體安全系數(shù)。

4 結(jié)語

本文使用了SolidWorks對垂直導柱型固體充填式液壓支架的整體進行了三維實體模型設計，并使用Simulation有限元插件，對液壓支架進行了4種工況下的靜力學模擬。4個工況下分別是前后頂梁二端的加載、底座扭轉(zhuǎn)；前后頂梁扭轉(zhuǎn)、底座對稱加載;前后頂梁偏載、底座偏載。

經(jīng)過仿真得到的結(jié)果，可知4種工況下，頂梁最大應力值為441 MPa，垂直導柱最大應力值為792 MPa，均在材料的許用范圍內(nèi)，說明液壓支架的強度符合設計要求，各部件應力位移分布情況也為各部件的進一步優(yōu)化提供了科學的參考與依據(jù)。