大噸位液壓支架試驗(yàn)臺(tái)及其關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)計(jì)算研究

梁 穎 秦東晨 高占喜 李 鉻

（1、中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河南 鄭州451191 2、鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州450001 3、鄭州四維礦業(yè)機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 鄭州450100）

液壓支架是綜采工作面的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，其技術(shù)性能與整個(gè)煤炭生產(chǎn)過(guò)程的可靠性、安全性聯(lián)系非常密切，需要設(shè)計(jì)專門(mén)的試驗(yàn)臺(tái)對(duì)該設(shè)備在各種工況下的受力及應(yīng)力分布進(jìn)行檢測(cè)和校核。以25000KN 液壓支架為研究對(duì)象設(shè)計(jì)了大噸位大采高液壓支架試驗(yàn)臺(tái)并對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，為液壓支架整機(jī)的受力狀況、強(qiáng)度和可靠性能的參數(shù)測(cè)定提供了可靠的檢測(cè)平臺(tái)，其結(jié)果數(shù)據(jù)也為支架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù)。

1 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)總體方案設(shè)計(jì)

測(cè)試對(duì)象為大工作阻力和大采高液壓支架，試驗(yàn)臺(tái)除承受垂直內(nèi)或外加載試驗(yàn)外，還應(yīng)對(duì)支架進(jìn)行水平加載和輔助外力加載。液壓支架試驗(yàn)臺(tái)采用四立柱結(jié)構(gòu)[1]，組成精簡(jiǎn)保證了整機(jī)的安全性能，降低整機(jī)的裝配工藝性，同時(shí)能夠很好的適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中加載的多樣性和檢測(cè)過(guò)程的穩(wěn)定性。

圖1 液壓支架試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)方案

如圖1 所示試驗(yàn)臺(tái)四根立柱連接底座、活動(dòng)梁和頂梁，在底座、頂梁和活動(dòng)梁額外添加了桁架，對(duì)整機(jī)起到加強(qiáng)加固作用；為保證試驗(yàn)臺(tái)在工作時(shí)能適應(yīng)不同型號(hào)和高度的液壓支架，在每根立柱上有定位孔，使得活動(dòng)梁的高度可以調(diào)節(jié)，并設(shè)置有自動(dòng)調(diào)整和鎖定裝置；為防止試驗(yàn)臺(tái)在進(jìn)行偏載實(shí)驗(yàn)時(shí)防止單側(cè)受力較大造成液壓支架的傾斜，側(cè)推結(jié)構(gòu)可以對(duì)壓架兩側(cè)固定，保證系統(tǒng)穩(wěn)定[2]。

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)可進(jìn)行25000KN 以下的支架檢驗(yàn)，檢測(cè)支架高度超過(guò)7 米。試驗(yàn)臺(tái)增壓裝置最大壓力為120MP，可保證整個(gè)檢驗(yàn)動(dòng)作完成周期控制在30 分鐘以內(nèi)。

2 試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵零件的受力分析及仿真

2.1 銷(xiāo)軸強(qiáng)度計(jì)算和選型

支架直接承載結(jié)構(gòu)為活動(dòng)梁，其上設(shè)計(jì)的千斤頂系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度壓力下的自由升降，銷(xiāo)軸是系統(tǒng)中主要受力零件，在工況下所受應(yīng)力較為集中也最容易失效。根據(jù)液壓支架的工況，銷(xiāo)軸連接處為組合截面，且跨度小，彎矩M也較小，同時(shí)受力F較大，按照第四強(qiáng)度理論對(duì)彎曲應(yīng)力和剪切應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核計(jì)算[3]。（圖2）

圖2 千斤頂插銷(xiāo)系統(tǒng)示意圖

根據(jù)胡克定律最大應(yīng)力發(fā)生在截面離中心軸最遠(yuǎn)處，即最大應(yīng)力距離應(yīng)按橫截面外輪廓處計(jì)算校核即可，截面上最大彎曲應(yīng)力為：

假想銷(xiāo)軸在剪切面內(nèi)承受的剪切力是均勻分布，所求的切應(yīng)力為名義切應(yīng)力。當(dāng)受彎剪截面形狀為圓形截面，其最大彎曲切應(yīng)力發(fā)生在中心軸上，所以截面上最大剪切應(yīng)力為：

由以上分析可得，銷(xiāo)軸所受彎曲應(yīng)力σ=M/W，其中彎矩M與加載力F 和接觸點(diǎn)到端面的距離L 成正比；剪切力τ 除了與截?cái)嗝娣e成反比外，還與F 成正比。因此應(yīng)著重計(jì)算校核F和L 的數(shù)值。各選擇掩護(hù)式支架和支撐掩護(hù)式支架為測(cè)試對(duì)象，分別應(yīng)用力學(xué)公式和三維仿真分析軟件對(duì)頂梁和定座支撐點(diǎn)進(jìn)行承載力的計(jì)算[4]，從而獲得立柱及銷(xiāo)軸的受力數(shù)據(jù)如下（測(cè)力點(diǎn)距最高點(diǎn)約為300mm）：

表1 公式法計(jì)算兩端支反力數(shù)據(jù)表

表2 仿真分析法計(jì)算不同工況下頂梁兩端支反力數(shù)據(jù)表

分析數(shù)據(jù)可知：使用不同方法對(duì)掩護(hù)式支架和支撐掩護(hù)式支架進(jìn)行分析，其數(shù)據(jù)和變化規(guī)律相似，結(jié)果可信，二種方法均可行，具有代表性。表1 數(shù)據(jù)顯示壓架前端支反力比后端支反力小，掩護(hù)式支架底座前、后受力差異較大，銷(xiāo)軸受彎矩很小，故可省略對(duì)剪切力的校核。表2 數(shù)據(jù)顯示雖頂梁扭轉(zhuǎn)工況下掩護(hù)式支架靠近后部方墊塊的立柱需要獨(dú)自承擔(dān)墊塊的支撐力。由此可得壓架加載工作阻力25000KN，保守取值銷(xiāo)軸的剪切力Q 為25000KN 和15000KN，彎曲力臂L 為135mm 和90mm，內(nèi)徑規(guī)格d 為260mm、280mm 和315mm，分別依據(jù)上述內(nèi)容進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和安全系數(shù)的校核，最終選取銷(xiāo)軸材料35CrMnSiA，d為315mm。

圖3 壓架試驗(yàn)臺(tái)整機(jī)仿真模型

2.2 試驗(yàn)臺(tái)三維模型

試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼板Q550d，屈服強(qiáng)度極限550 MPa，彈性模量206 GPa，泊松比0.3。利用Solidworks 軟件建立了試驗(yàn)臺(tái)各零件的三維參數(shù)化模型，并根據(jù)裝配關(guān)系進(jìn)行了虛擬裝配，創(chuàng)建了虛擬樣機(jī)。依據(jù)壓架常見(jiàn)加載方式和工況，對(duì)試驗(yàn)臺(tái)三維模型施加邊界條件、載荷，利用Ansys Workbench 軟件對(duì)試驗(yàn)臺(tái)關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元力學(xué)分析[4-5]。

3 試驗(yàn)臺(tái)壓架試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)方案和三維模型制造并裝配了試驗(yàn)臺(tái)，依據(jù)《GB 25974.1-2010 煤礦用液壓支架第1 部分：通用技術(shù)條件》設(shè)計(jì)了加載試驗(yàn)，測(cè)試對(duì)象為支架ZY18000/25.5/50，支撐工況：頂梁兩端集中支撐，在試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵零件布置了多個(gè)應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)，進(jìn)行反復(fù)交替加載，最終測(cè)試數(shù)據(jù)與鄭機(jī)所同類(lèi)型試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)相對(duì)比，本試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試數(shù)據(jù)具有相同的規(guī)律和變化趨勢(shì)，雖略有偏差，整體較為穩(wěn)定。從整個(gè)試驗(yàn)的全過(guò)程來(lái)看，試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度滿足工況要求，測(cè)試過(guò)程穩(wěn)定，并具備一定的安全儲(chǔ)備，說(shuō)明試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)方案和參數(shù)選擇合理。（圖3）

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)了大高采大噸位液壓支架試驗(yàn)臺(tái)的總體方案，對(duì)關(guān)鍵零件進(jìn)行了彎剪受力計(jì)算和選型，創(chuàng)建了試驗(yàn)臺(tái)的三維仿真模型。制造并安裝了試驗(yàn)臺(tái)，依據(jù)液壓支架試驗(yàn)方法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)，比對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果表明：試驗(yàn)臺(tái)自身的強(qiáng)度可靠，液壓支架試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是合理可行的，為大噸位壓架試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)和制造提供了方法和參考依據(jù)；其中關(guān)鍵零件的強(qiáng)度計(jì)算和校核方法是有效的，對(duì)近似工況下零件的受力分析也具有一定的借鑒性。