基于ABAQUS的礦用液壓支架頂梁結構性能研究與應用

李文俊

（晉能控股裝備制造集團力泰有限責任公司，山西 大同 037036）

引言

液壓支架作為煤炭綜采工作面內的關鍵設備，其工作的可靠性不僅關系著煤礦井下作業人員的生命安全，還與煤炭企業的安全生產息息相關，必須引起高度重視[1]。液壓支架服役環境惡劣，如高濕度、高腐蝕、重載等，極易造成液壓支架的破壞，引發安全事故，給煤炭企業帶來不可估量的經濟損失。液壓支架結構大、價格高，投資占比較大，世界各國對于液壓支架的研究應用極為重視，設計水平遠遠高于我國[2]。近年來，隨著我國液壓支架研究工作的深入，設計制造水平得到了較大的提升，但相較于進口液壓支架，可靠性方面依然存在一定的差距[3]。傳統的設計方法為了保證液壓支架工作的可靠性，將結構安全系數選的較大，使得液壓支架結構質量大、成本高，為煤炭企業增加了較大的經濟負擔[4]。隨著計算機輔助設計技術的發展，為液壓支架的優化設計工作提供了新的手段，不僅能夠降低液壓支架優化設計所需的人力、物力和財力，還能夠提高支架的設計精度，實現液壓支架的高效設計[5-6]。因此以ZY6400/21/45型液壓支架為研究對象，運用ABAQUS 有限元仿真計算軟件，開展頂梁結構性能研究對于提高液壓支架的整體性能具有重要意義。

1 液壓支架三維模型的建立

液壓支架三維模型采用SolidWorks 軟件繪制，因液壓支架結構較為復雜，為了避免有限元仿真時產生的數據量過于龐大，對其三維模型進行了簡化處理，結果如圖1 所示，簡化了不影響分析結果和主體強度的相關結構，如螺紋孔、倒角、圓角、不存在應力集中位置的焊縫等。

圖1 液壓支架三維模型

2 有限元強度分析

2.1 前處理

ZY6400/21/45 液壓支架主體結構的制備材料為Q460，其材料屬性如下：彈性模量為210 GPa，密度為7.85 kg/mm3，泊松比為0.3，屈服強度為460 MPa。網格劃分采用四面體網格類型，設置單元格尺寸為60 mm，采用自由劃分網格的方式完成液壓支架網格劃分，得到31 980 個網格。依據GB 25974.1—2010《煤礦用液壓支架第1 部分：通用技術條件》要求開展液壓支架強度分析，液壓支架的工況眾多，結合筆者所接觸液壓支架的受力情況，選擇頂梁扭轉加載工況進行仿真分析，頂梁加載壓力要求為工作壓力的1.2 倍，計算得7 700 kN，加載方式為內側加載，力的作用線沿立柱軸線方向作用于柱窩球面。約束條件設置時墊塊與底座接觸面設置接觸對，摩擦系數為0.15，墊鐵設置為固定約束，液壓支架主體結構之間均設置為銷釘連接。

2.2 仿真結果與分析

完成液壓支架有限元仿真分析前處理工作之后啟動軟件自帶求解器，進行液壓支架強度分析，完成液壓支架整體結構強度分析之后提取頂梁結構分析結果，如下頁圖2 所示。由圖2 可以看出，液壓支架扭轉載荷工況時存在明顯的應力集中現象，應力最大值為436 MPa，出現在頂梁上柱窩位置。頂梁結構材料的屈服強度為460 MPa，頂梁扭轉載荷作用下所受的最大應力與其極為接近，是液壓支架頂梁工作過程中的薄弱環節，使用過程中存在安全隱患。為了避免液壓支架頂梁使用過程中出現破壞，導致安全事故，有必要對其進行優化設計，降低應力集中程度，提高其工作的可靠性。

圖2 液壓支架頂梁應力分布云圖

3 頂梁的改進設計

頂梁作為液壓支架主要結構組成件之一，通過柱窩接收來自立柱的支撐力，實現頂梁支撐巷道頂板的功能。前面分析結果中出現頂梁柱窩附近存在應力集中的情況，最大應力接近頂梁材料的屈服強度，使用過程中存在破壞隱患。為了提高液壓支架頂梁的可靠性，改善頂梁工作時的受力狀態，基于當前的頂梁結構開展優化設計工作。借助有限元仿真分析方法，驗證改進設計的效果，以期為液壓支架頂梁的設計制造提供技術參考。

3.1 改進方法

提高結構件強度的改進方法眾多，常見的有改變結構件材料、探索最佳熱處理工藝、優化結構尺寸等，結合液壓支架仿真分析結果及液壓支架頂梁改進之前的結構可知，頂梁柱窩位置屬于接觸受力狀態，改進之前的結構件高度較高，使其接收立柱升力時會產生一定的側翻力矩，使受力點的受力狀態復雜化，不利于接觸面的可靠工作。因此頂梁改進設計選擇優化結構尺寸的方法，為了降低柱窩位置的側翻力矩影響程度，將柱窩高度尺寸減小50 mm，重新建立三維模型，圖3 和圖4 所示給出了柱窩改進前后的結構。

圖3 改進前結構

圖4 改進后結構

3.2 仿真計算

將改進之后的柱窩結構與原有液壓支架的底座、前后連桿、頂梁、平衡千斤頂等其他三維模型進行裝配組合成裝配體，導入ABAQUS 仿真計算軟件中進行前處理，其柱窩材料仍然為Q460，材料屬性參數設置與改進之前一致；網格劃分方法為自由劃分，網格類型為四面體，單元格總數為31 420；施加扭轉載荷，頂梁加載壓力為7 700 kN，約束施加時底座設置為固定約束，各個結構件之間為銷釘接觸。完成改進之后液壓支架有限元仿真分析前處理即可啟動軟件自帶求解器進行仿真計算。

3.3 結果分析

完成改進液壓支架扭轉載荷工況下的仿真計算之后，調取的頂梁仿真計算結果，如圖5 所示。由圖5 頂梁應力分布云圖可以看出，改進之后的應力集中依然出現在頂梁柱窩位置，最大應力值為398 MPa，相較于改進之前的436 MPa 降低了38 MPa，由此可見，通過減小柱窩的高度尺寸能夠有效改善頂梁工作過程中的受力狀態，降低其應力集中程度，取得了很好的改進效果。與此同時，與結構件材料的屈服強度460 MPa 相比較，改進之后的頂梁結構的應力集中數值398 MPa 較小，具有62 MPa的安全裕度，能夠很好的滿足液壓支架頂梁結構可靠工作的要求。

圖5 改進后頂梁應力分布云圖

4 應用效果評價

為了驗證液壓支架頂梁仿真計算結果的準確性，按照仿真計算模型繪制工程圖并完成了柱窩結構的加工制造，與液壓支架其他結構件裝配組合形成改進液壓支架。將改進后的液壓支架投入煤炭巷道內部進行支護作業，結果表明，整體結構穩定可靠，能夠滿足現場支護要求。相較于柱窩改進之前的液壓支架，改進之后的液壓支架頂梁角度調整更加平穩順暢，應用過程中發現柱窩位置磨損情況得到了明顯改善，主要原因是柱窩位置的接觸應力相較于原結構柱窩降低了15.6%，改善了柱窩位置的受力狀態。據相關專業人士估計，磨損情況的改善能夠使液壓支架壽命延長不少于1 年，降低了近5%的制造成本，預計為企業新增經濟效果約200 萬元/年，取得了很好的應用效果。