ZF3700/16/26 型液壓支架底座的有限元分析及優(yōu)化研究

張烜

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)忻州有限公司，山西 忻州 034000）

1 概況

綜采工作面中液壓支架是非常重要的機(jī)械裝備，主要作用是對(duì)工作面的人員和設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，其性能直接關(guān)系到煤礦的生產(chǎn)安全，因此要確保液壓支架的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。利用傳統(tǒng)方法對(duì)液壓支架進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，難免存在缺陷問題，在煤礦復(fù)雜的工況環(huán)境下可能存在安全隱患。隨著有限元技術(shù)的發(fā)展，其在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。通過建立模型并開展有限元分析，可以發(fā)現(xiàn)液壓支架結(jié)構(gòu)方面存在的缺陷問題，進(jìn)而對(duì)其開展優(yōu)化改進(jìn)。本文以泰山隆安煤業(yè)11 號(hào)煤層中使用的ZF3700/16/26型液壓支架的底座結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，利用ANSYS Workbench 軟件對(duì)底座結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 液壓支架底座有限元模型的建立

2.1 三維幾何模型構(gòu)建

以泰山隆安煤業(yè)11 號(hào)煤層使用的ZF3700/16/26型液壓支架的底座結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，考慮到Workbench 軟件的三維造型能力有限，首先需利用SolidWorks 軟件建立液壓支架底座結(jié)構(gòu)的三維幾何模型。建模時(shí)為了保證結(jié)果的精確性，尺寸方面嚴(yán)格按照底座結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸繪制。對(duì)于局部細(xì)小結(jié)構(gòu)作忽略處理，保證模型計(jì)算準(zhǔn)確性的前提下，壓縮模型分析時(shí)間，提升效率。

2.2 有限元模型建立

在SolidWorks 軟件中完成三維幾何模型建立后，通過STL 中間格式導(dǎo)入Workbench 軟件中，進(jìn)行有限元模型建立。在Workbench 中首先進(jìn)行網(wǎng)格劃分，軟件提供了多種類型的網(wǎng)格，結(jié)合實(shí)際情況確定采用六面體網(wǎng)格類型，此型號(hào)網(wǎng)格可以保證結(jié)果精度和模型計(jì)算時(shí)間。網(wǎng)格尺寸方面，采用非均勻化網(wǎng)格，對(duì)于一些比較重要或容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置，采用較小的網(wǎng)格尺寸，其他部位采用相對(duì)較大的網(wǎng)格尺寸。劃分得到的網(wǎng)格單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為23 924 個(gè)和38 492 個(gè)。材料屬性方面，ZF3700/16/26 型液壓支架底座結(jié)構(gòu)使用的為Q550鋼板，材料的密度為7.85 g/cm3，楊氏模量和波松比分別為206 GPa 和0.28，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和伸長率分別為550 MPa、630 MPa 和16%。如圖1所示為液壓支架底座結(jié)構(gòu)的有限元模型。邊界條件方面，考慮到底座結(jié)構(gòu)承受扭矩載荷時(shí)的情況比較復(fù)雜，屬于比較極端的復(fù)雜工況，因此模擬此類型工況條件，確保底座結(jié)構(gòu)在特殊工況下能滿足使用要求。

圖1 液壓支架底座結(jié)構(gòu)的有限元模型Fig.1 Finite element model of hydraulic support base structure

3 液壓支架底座的有限元結(jié)果分析

3.1 結(jié)果分析

此次研究主要關(guān)心底座結(jié)構(gòu)在工作過程中的受力情況，在完成模型的分析計(jì)算工作后，提取了結(jié)構(gòu)件的等效應(yīng)力分布云圖和位移變形分布云圖，這兩項(xiàng)指標(biāo)能很好的反映機(jī)械結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能，結(jié)果如圖2 所示。

圖2 液壓支架底座結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力和位移變形分布云圖Fig.2 Distribution cloud diagram of equivalent stress and displacement deformation of hydraulic support base structure

由圖2（a） 可知，底座結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力分布范圍較廣，大約在57～515 MPa。絕大部分位置應(yīng)力較小，只有局部位置的應(yīng)力接近515 MPa，出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，其中應(yīng)力相對(duì)較大的區(qū)域主要包括后柱窩、過橋和耳板等。由圖2（b） 可知，底座結(jié)構(gòu)的位移變形分布情況與等效應(yīng)力分布情況基本類似，出現(xiàn)了位移變形集中現(xiàn)象，位移變形的分布范圍在0～4.14 mm。位移變形最大的區(qū)域在前側(cè)的一端，出現(xiàn)這種情況的原因是在該位置施加了集中載荷，與該位置越遠(yuǎn)對(duì)應(yīng)的位移變形越小。

3.2 存在的問題

基于有限元分析結(jié)果可知，泰山隆安煤業(yè)11號(hào)煤層使用的ZF3700/16/26 型液壓支架的底座結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為515 MPa，而底座結(jié)構(gòu)的加工材料為Q550，對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度為550 MPa，雖然結(jié)構(gòu)件的實(shí)際受力沒有超過材料的屈服強(qiáng)度，但是已經(jīng)非常接近。機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域安全系數(shù)的公式為：

式中：η 為安全系數(shù)；σmax為承受的最大應(yīng)力；σs為材料的屈服強(qiáng)度。根據(jù)式（1） 可以計(jì)算得到底座的安全系數(shù)為1.07，而根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)至少在1.5 以上才能保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，泰山隆安煤業(yè)11 號(hào)煤層使用的ZF3700/16/26 型液壓支架的底座結(jié)構(gòu)的綜合性能勉強(qiáng)能維持運(yùn)行，但穩(wěn)定性不高。如果遇到?jīng)_擊性載荷，可能出現(xiàn)塑性損傷進(jìn)而損壞底座結(jié)構(gòu)，影響液壓支架的運(yùn)行穩(wěn)定性，威脅煤礦生產(chǎn)安全。因此，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

4 液壓支架底座結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究

4.1 優(yōu)化方案

優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)涉及三要素，分別為優(yōu)化對(duì)象、優(yōu)化目標(biāo)和約束條件。結(jié)合泰山隆安煤業(yè)ZF3700/16/26型液壓支架實(shí)際情況，將優(yōu)化目標(biāo)確定為液壓支架底座結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力，要求最大應(yīng)力盡可能降低；優(yōu)化對(duì)象為過橋?qū)挾?、柱窩高度和耳板厚度，分別用P1、P2和P3表示，以上3 個(gè)參數(shù)的初始值依次為160、350 和60 mm，為了不對(duì)底座結(jié)構(gòu)做過多改動(dòng)，同時(shí)縮短優(yōu)化時(shí)間，針對(duì)3 個(gè)優(yōu)化對(duì)象分別設(shè)置范圍，分別為144～176、315～385 和54～66 mm；約束條件為結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)不低于1.5。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化過程在ANSYS Workbench 軟件的優(yōu)化模塊中完成，該模塊中內(nèi)置有算法程序，可以根據(jù)設(shè)置的優(yōu)化方案輸出最優(yōu)的結(jié)果。表1 為優(yōu)化后3 個(gè)優(yōu)化對(duì)象的輸出結(jié)果，及其與初始值之間的對(duì)比情況，表中還給出了優(yōu)化前后底座結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和最大位移變形對(duì)比情況。

表1 底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后技術(shù)參數(shù)對(duì)比情況Table 1 Comparison of technical parameters before and after base structure optimization

表1 中數(shù)據(jù)可知，過橋?qū)挾?、柱窩高度和耳板厚度與初始值相比較均有了增加，增加幅度分別為4.74%、7.68%和8.9%。通過增加對(duì)應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)尺寸，可以提升結(jié)構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度，在相同工況條件下降低這些區(qū)域的最大應(yīng)力，改善應(yīng)力集中現(xiàn)象，使底座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布變得更加均勻。

通過優(yōu)化改進(jìn)，使得底座結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力由515 MPa 降低至363.57 MPa，降低幅度為29.4%。最大位移變形方面，由優(yōu)化前的4.14 mm 降低至優(yōu)化后的3.27 mm，降低幅度為21.01%。根據(jù)結(jié)構(gòu)件的安全系數(shù)計(jì)算公式，優(yōu)化后的安全系數(shù)為1.51，滿足機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的相關(guān)要求。如圖3 所示為優(yōu)化后的液壓支架底座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖。

圖3 優(yōu)化后底座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖Fig.3 The stress distribution cloud diagram of the optimized base structure

5 底座結(jié)構(gòu)在液壓支架中的應(yīng)用情況

為了驗(yàn)證上文提出的底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的可行性，根據(jù)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)尺寸加工得到了底座結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用到泰山隆安煤業(yè) 11 號(hào)煤層ZF3700/16/26 型液壓支架工程實(shí)踐中，進(jìn)行6 個(gè)月的現(xiàn)場測試。由于只是對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，因此優(yōu)化后的底座結(jié)構(gòu)整體運(yùn)行穩(wěn)定，且6 個(gè)月的測試期間沒有出現(xiàn)故障問題，經(jīng)過評(píng)估。認(rèn)為優(yōu)化后的底座結(jié)構(gòu)使用壽命可延長15%以上。

6 結(jié)論

以泰山隆安煤業(yè)11 號(hào)煤層在使用的ZF3700/16/26型液壓支架底座結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，基于有限元方法分析了底座的受力情況，并開展結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，所得結(jié)論主要如下。

（1） 利用ANSYS Workbench 軟件建立有限元模型，分析發(fā)現(xiàn)泰山隆安煤業(yè)ZF3700/16/26 型液壓支架底座存在應(yīng)力集中和位移變形集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力為515 MPa，安全系數(shù)只有1.07，最大位移變形為4.14 mm。

（2） 以過橋?qū)挾?、柱窩高度和耳板厚度為優(yōu)化對(duì)象，以最大應(yīng)力和位移變形為優(yōu)化目標(biāo)，以安全系數(shù)為約束條件，通過優(yōu)化改進(jìn)使得底座的安全系數(shù)達(dá)到1.51。

（3） 將優(yōu)化后的底座應(yīng)用到液壓支架工程實(shí)踐中，通過6 個(gè)月時(shí)間的現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)效果穩(wěn)定，預(yù)計(jì)使用壽命可以延長15%以上，安全效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。