板式液壓支架底座過橋的受力分析及改進

龐志月

（大同煤礦集團機電裝備力泰有限責(zé)任公司, 山西 大同 037036）

引言

煤礦企業(yè)要想在日益激烈的競爭中不斷擴大規(guī)模提升經(jīng)濟效益，就必須對現(xiàn)有的設(shè)備進行持續(xù)的技術(shù)改造以提升機械設(shè)備的技術(shù)水平，使之更好的順應(yīng)時代的發(fā)展[1]。一直以來，煤礦井下支護都是煤礦開采過程中非常關(guān)鍵和重要的環(huán)節(jié)，支護設(shè)備的可靠性對整個采煤生產(chǎn)的安全進行有著決定性作用。因此，必須采取措施確保支護設(shè)備的可靠性[2]。液壓支架是非常重要的支護設(shè)備，在確保液壓支架安全性的同時盡可能降低其生產(chǎn)制造成本是未來的發(fā)展方向。板式液壓支架不管是在穩(wěn)定性、經(jīng)濟性還是安全性方面均表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢。其結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)制作周期短、成本低，有很多采煤企業(yè)的重要選擇對象[3-4]。由于板式液壓支架與傳統(tǒng)液壓支架在結(jié)構(gòu)上存在不少差異，所以有必要針對板式液壓支架開展系統(tǒng)深入的分析和研究，進一步確保其可靠性。針對液壓支架底座過橋的受力情況分析，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，并結(jié)合筆者實踐經(jīng)驗和參考文獻資料提出優(yōu)化方案，取得了良好的效果。

1 板式液壓支架主要構(gòu)成部分及優(yōu)勢

液壓支架的結(jié)構(gòu)形式對其性能有著決定性的影響，會影響整條采煤生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。近年來，我國綜采技術(shù)得到了很好的發(fā)展，這對礦用液壓支架的結(jié)構(gòu)性能要求更高，在保證性能滿足要求的同時還要想辦法盡可能降低其重量。當(dāng)前階段應(yīng)用最廣泛的是四連桿液壓支架[5]，但是這種類型液壓支架的雙紐線存在不穩(wěn)定性，針對該問題進行優(yōu)化改進逐漸演變得到了板式液壓支架，如圖1 所示。從圖中可以看出板式液壓支架主要由七部分構(gòu)成，分別為頂梁、懸浮立柱、尾梁、連板、抬高架、插柱及插槽、底座。

圖1 板式液壓支架結(jié)構(gòu)簡圖

與其他類型液壓支架相比較而言，板式液壓支架存在一些優(yōu)勢，具體如下[6]：與四連桿液壓支架相比較而言，板式壓支架的結(jié)構(gòu)得到了很大程度的簡化。因此，在對板式液壓支架進行設(shè)計時相對簡單，可以縮短設(shè)計周期。結(jié)構(gòu)上的簡化同樣有利于加工制度，生產(chǎn)加工時間短、工藝簡單，在一定程度上提升了液壓支架的經(jīng)濟效益。板式液壓支架中針對插座的設(shè)計能夠保證支架沿著既定方向移動，有利于頂梁的控制。在進行上升和下降運動時，在水平方向上頂梁和頂板相對固定在一起，不會發(fā)生相對運動，確保了液壓支架穩(wěn)定性。插柱和頂梁鉸點與頂梁前后斷面的距離不遠(yuǎn)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計顯著提升了液壓支架的抗偏載能力。由于板式液壓支架采取的是懸浮式液壓支柱，這種類型的支柱具備更強的抗沖擊性能。是液壓支架以其顯著的優(yōu)勢在小型采煤礦井中擁有很好的應(yīng)用前景。

2 板式液壓支架模型的建立

2.1 三維模型的建立

利用Pro/E 三維造型軟件對板式液壓支架進行三維建模。首先根據(jù)已有的零件圖紙，針對每一個零部件進行三維建模，然后再根據(jù)不同零部件的相對位置為其進行裝配，如下頁圖2 所示。圖中箭頭所指為底座過橋的位置。建立好模型后還需要將其導(dǎo)出為ANSYS 能夠識別的文件格式。需要強調(diào)的是，為了保證有限元分析工作的順利開展，縮短分析計算的時間，對板式液壓支架中一些不重要的結(jié)構(gòu)進行了簡化，但不影響整體的受力分析。

圖2 板式液壓支架三維模型

2.2 有限元模型的建立

利用ANSYS 軟件對板式液壓支架在工作中的受力情況進行分析。首先需要將三維造型軟件建立的三維模型導(dǎo)入到ANSYS 軟件。然后需要對齊網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格類型和大小對計算過程和結(jié)果有著決定性的影響。ANSYS 軟件可對導(dǎo)入的三維模型進行網(wǎng)格的自動劃分，利用該功能實現(xiàn)模型的網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格類型為Solid186 的20 節(jié)點實體單元，綜合考慮計算結(jié)果的精度和計算時間設(shè)置網(wǎng)格大小為20 mm 左右。

板式液壓支架選用的液壓缸直徑大小為160 mm。為了讓有限元模型更好地反映實際情況，在模型中相關(guān)結(jié)構(gòu)件的有效尺寸設(shè)置為對應(yīng)數(shù)值。根據(jù)有關(guān)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，在針對液壓支架開展實驗工作時，要求將立柱的工作阻力設(shè)置成為額定工作阻力的1.2 倍，使之更好的滿足實際需要，結(jié)合具體情況最終將加載壓力設(shè)置成為1 014 kN。

在有限元模型中還需要根據(jù)實際情況來設(shè)置板式液壓支架的材料，準(zhǔn)確設(shè)置材料屬性是得到準(zhǔn)確結(jié)果的基礎(chǔ)和前提條件。對板式液壓支架其受力情況比較復(fù)雜，整體需要承受很大的載荷，且很多局部位置可能出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，進行設(shè)計時通常選用的材料為Q460 鋼板。其各項物理屬性值為：彈性模量和泊松比分別為2.06×1011Pa 和0.28，屈服強度、抗拉強度和延伸率分別為460 MPa、550～720 MPa和17%。將上述力學(xué)參數(shù)輸入到有限元模型中進行分析計算。

3 板式液壓支架底座過橋受力結(jié)果的分析

如圖3 所示為板式液壓支架底座過橋受力結(jié)果云圖，需要說明的是，為獲得準(zhǔn)確結(jié)果，本文對整個液壓支架進行了數(shù)值模擬。但本文的研究對象為底座過橋，因此圖中主要展示過橋局部位置的受力情況。從圖中可以明顯看出，整體上過橋的受力很不均勻，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)應(yīng)力集中的位置在過橋拐角內(nèi)側(cè)，更具體一點是在過橋的右側(cè)，最大應(yīng)力值達(dá)到了797.6 MPa。過橋的其他部位受力情況良好，都不是非常大。對比該種材料的屬性可以明顯發(fā)現(xiàn)，過橋的最大應(yīng)力值超過了材料的屈服強度，甚至超過了抗拉強度值。雖然出現(xiàn)應(yīng)力集中的區(qū)域非常小，但是這些位置出現(xiàn)的過大的應(yīng)力集中現(xiàn)象必然會對結(jié)構(gòu)件造成損害，進而產(chǎn)生裂紋最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件的斷裂失效。

基于上述分析可知，現(xiàn)有的過橋結(jié)構(gòu)，過橋拐角內(nèi)側(cè)的右側(cè)容易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值超過了材料的屈服強度，不利于結(jié)構(gòu)件服役的穩(wěn)定性，會顯著降低過橋的使用壽命，有必要采取措施對其進行優(yōu)化改進。

圖4 優(yōu)化改進后板式液壓支架底座過橋受力結(jié)果云圖

圖3 板式液壓支架底座過橋受力結(jié)果云圖

4 板式液壓支架底座過橋的改進措施

針對板式液壓支架底座過橋拐角內(nèi)側(cè)出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，結(jié)合實踐經(jīng)驗并閱讀大量文獻資料，對其進行了優(yōu)化改進，經(jīng)過多次嘗試以后最終確定的優(yōu)化改進方案如下：降低過橋整體高度值，減小其在垂直方向上的距離，在固定過橋垂直部分時，確保過橋內(nèi)側(cè)面與底座內(nèi)側(cè)鐵板在相同的平面上，另外還對底座過橋拐角的結(jié)構(gòu)和尺寸進行了優(yōu)化。

針對改進優(yōu)化后的板式液壓支架底座重新計算分析，所有的建模過程以及參數(shù)屬性設(shè)置與前面的一模一樣，以確保計算結(jié)果的對比性。如圖4 所示,可以明顯看出，過橋的受力情況得到了明顯改善。首先是受力均勻性得到顯著提升，過橋的絕大部分區(qū)域受力均在很低的水平。其次，過橋拐角內(nèi)側(cè)雖然還存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，但最大應(yīng)力值已經(jīng)降低了很多，其大小為420 MPa。對比該種材料的物理屬性可以發(fā)現(xiàn)，最大應(yīng)力值已經(jīng)降低到了材料的屈服強度值以下，完全能夠滿足實際使用需要。通過提出的優(yōu)化改進方案，避免了過橋拐角內(nèi)側(cè)因為應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂失效的問題，能夠提升結(jié)構(gòu)件的服役穩(wěn)定性和可靠性。

將提出的優(yōu)化改進方案應(yīng)用到實際中得到了很好的效果，針對底座過橋進行優(yōu)化改造后從未出現(xiàn)由于應(yīng)力集中而導(dǎo)致的斷裂失效問題。

5 結(jié)論

板式液壓支架以及結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，具有很大的應(yīng)用潛力。由于液壓支架的整體受力情況比較復(fù)雜，導(dǎo)致其整體受力比較大，且部分區(qū)域容易出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，其中最典型的是底座過橋拐角內(nèi)側(cè)部位。針對相關(guān)區(qū)域位置的受力情況進行模擬分析，結(jié)合具體問題提出有針對性的改進措施。實踐結(jié)果表明，利用提出的優(yōu)化改進方案，液壓支架底座過橋拐角內(nèi)側(cè)區(qū)域的應(yīng)力集中問題得到了很好的解決。