液壓支架有限元應力應變的分析

運健瑩

（西山煤電（集團）有限責任公司機電廠， 山西 太原 030024）

引言

液壓支架作為井下常見的支護設備由于工況環境差易發生偏載扭轉等破壞，所以對液壓支架進行結構優化是當代熱門課題。此前李昊[1]對液壓支架的控制系統進行分析，利用數理統計的方法給出了歷史移架的時長的置信區間，有效地降低了計算的耗時，提升了數據的可靠性。張豫龍[2]通過數值模擬軟件對液壓支架的幫板進行了優化，通過將幫板設計為箱形梁結構有效地降低了幫板的損壞，提升了幫板的剛度，為礦山提升經濟效益作出貢獻。劉軍[3]為了解決掩護梁易發生斷裂的問題，對液壓支架的掩護梁進行可靠性優化，有效地降低了掩護梁的受力情況，為液壓支架的優化作出一定的貢獻。高耀東[4]利用Ansys 數值模擬軟件對液壓支架的運動仿真進行優化，改善了液壓支架的性能，同時降低了液壓支架的質量，并通過驗證可以有效地滿足生產的需求。本文對液壓支架的底座兩端加載加載下的應力位移云圖進行分析，對液壓支架的結構進行優化改進，有效地提升了液壓支架的工作性能。

1 液壓支架應力位移的分析

Ansys 是一種集合結構、流體和聲學等為一體的模擬軟件，操作較為簡單，功能強大。所以本文選定Ansys 模擬軟件對液壓支架進行研究。利用PRO/E 對ZY4000/17/32 液壓支架進行模型的導入，完成模型導入后對模型的參數進行設定，常見的液壓支架結構材料為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，完成參數設定后對模型的網格進行劃分，網格劃分時由于對網格需求不是很大，所以本文適當的減小模型的網格，加快計算的過程。完成網格劃分后對模型的約束及載荷進行設置，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。模型頂梁計算云圖如圖1 所示。

圖1 支架頂梁應力與位移云圖

如圖1 為頂梁偏心加載、底座扭轉加載工況下的頂梁應力及位移云圖，從圖中可以看出，如果將墊片的位置進行忽略，頂梁的應力云圖呈現出對稱分布，最大的應力點出現在頂梁的左側筋板上，此位置的最大應力為913.09 MPa，另外在頂梁的下蓋板位置出現較大的應力值為720.19 MPa。頂梁的最大應力值已經趨近于材料的許用強度，所以可能發生破損。從頂梁的位移云圖可以看出，在垂直方向上頂梁的右側出現位移的最大值21.447 mm，同時位移隨著頂梁的橫向移動出現了逐步減小的趨勢，在頂梁的左側出現位移的最小值0 mm。掩護梁的應力及位移云圖如圖2 所示。

圖2 支架掩護梁應力與位移云圖

從圖2 可以看出，液壓支架的掩護梁應力云圖呈現出區域性分布，在掩護梁的前端部位的筋板上出現應力集中現象，最大應力值為913.09 MPa 由于掩護梁的最大應力值小于Q690 材料的屈服強度，所以掩護梁在頂梁偏心加載、底座扭轉加載工況下并不會出現破壞的情況。從掩護梁的位移云圖可以看出，在垂直方向上掩護梁的右側出現位移的最大值21.447 mm，同時位移隨著掩護梁梁的向左側移動時出現了逐步減小的趨勢，在掩護梁的左側出現位移的最小值0。底座的應力位移云圖如圖3 所示。

從圖3 可以看出，液壓支架的底座云圖呈現出區域性分布，在底座的過橋處出現應力集中現象，出現的最大應力值為915.09 MPa，此時出現的應力雖然小于材料的許用強度，但數值較為接近，易發生破損且由于動載的原因底座的過橋處是材料的薄弱點，所以需要對其進行一定的優化。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出現位移的最大值21.447 mm，底座的位移變形主要集中在部件的右側，底座的左側位移變形量均較小，并不會出現明顯的位移變形，所以結構較為穩定。

圖3 支架底座應力與位移云圖

2 優化設計

通過對頂梁偏心加載、底座承受扭矩的工況下的液壓支架各部分進行應力位移云圖的分析發現，在液壓支架的頂梁、掩護梁和底座部位出現了明顯的應力集中現象，可能損壞液壓支架進而發生較大的事故，所以提出對液壓支架的各部件的改進方案。

在頂梁部位將側板及護板的厚度進行加大，在原有的基礎上加厚30 mm，為了考慮經濟效益，將頂梁應力呈現較小的部位前端蓋板進行厚度的削減，削減到20 mm。掩護梁的中間筋板及兩端蓋板部位應力集中，所以加大其厚度，將原有的30 mm 加大至35 mm，同時對掩護梁的側護板進行厚度的削減，減小至20 mm。進行底座優化時考慮到其在底座過橋部位出現的應力集中現象，將過橋部位的厚度加大值50 mm，底座側板的厚度削減至70 mm。優化完成。對優化后的液壓支架部件進行驗證。驗證的結果如下頁圖4 所示。

如圖4 所示為液壓支架頂梁、掩護梁和底座優化后的應力云圖，從圖中可以看出優化后的頂梁最大應力值從原先的913.09 MPa 降低到了338.64 MPa，降低的效果明顯，結構改進后的應力遠小于材料的屈服應力值，提升了頂梁的承壓性，有效的解決了頂梁應力集中發生破壞的事故。同時在掩護梁的應力集中部位最大應力值從原有的710.19 MPa 降低至了263.4 MPa，降低的效果同樣明顯，同時掩護梁的側護板應力變化趨勢不明顯。優化后的底座在過橋位置應力值從913.09 MPa 降低至了263.4 MPa，底座在扭轉的作用下過橋部位不會出現破壞。所以本次對液壓支架的優化較為成功，有效地降低了液壓支架破壞的可能性，提升了礦山的經濟效益。

圖4 優化后液壓支架各部件應力（MPa）云圖

3 結論

1）通過對液壓支架進行數值模擬建模，分析了液壓支架的頂梁、掩護梁及底座的應力位移云圖，發現部件在頂梁的側板及護板，掩護梁的中間筋板及兩端蓋板，底座過橋出現應力過大的情況。

2）通過對模型應力位移云圖分析，給出了液壓支架的頂梁、掩護梁和底座的優化設計并降低了應力較小區域的尺寸，降低了制作成本。

3）通過對優化后的部件進行模擬發現，優化后的各部件應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，提升了礦山的經濟。