液壓支架靜力學結構的分析與優化

曹博濤，孫 寧

（陜西科技大學，陜西 西安 710021）

引言

在煤礦綜采設備中，液壓支架是關鍵設備，對于綜采的安全保護具有重要的作用[1]。液壓支架的承載較大，對其性能具有較高的要求，采用有限元分析的方式對液壓支架進行靜力學分析，確定液壓支架的關鍵零件應力與結構尺寸關系，可為液壓支架的優化提供基礎，提高液壓支架的性能。

1 液壓支架靜力學結構分析的模型

在建立液壓支架的模型時，由于實際液壓支架的結構復雜，零件較多，需對模型進行一定的簡化處理。在建模過程中，保留液壓支架的主要結構及零部件，包括頂梁、掩護梁、底座和支架連桿，對其他的構件進行忽略；對于頂梁等焊接件，采用整體建模的形式作為整體建模，并設定焊縫位置處的強度和整體材質一致[2]；各支架連桿的尺寸和鉸接點位置保持不變，對液壓支架的工藝及細小結構等進行忽略。采用Pro/E軟件對液壓支架進行自下而上的方式進行建模，首先建立液壓支架主要構件的單個模型，然后對液壓支架進行裝配。采用自下而上的方式建模，可以保證各零部件間的相互獨立，同時便于在整體中對單個零件進行分析[3]。通過裝配過程，得到液壓支架的整體模型，建立液壓支架的虛擬樣機，為靜力學分析做好準備。

通過ANSYS有限元分析軟件對液壓支架模型進行靜力學分析。對于導入后的模型，采用ANSYS進行網格劃分處理，采用適應性較好的三維實體單元對模型進行自由網格劃分。對于模型分析的邊界條件進行設定，液壓支架的底座直接接觸地面，設定約束底座底面三個方向的自由度，液壓支架受到的載荷為立柱對頂梁和底座的壓力作用，壓力作用于柱窩的位置處，設定2根立柱的壓力作用，依據計算量確定壓力作用的大小，得到如圖1所示的液壓支架的載荷作用模型[4]。對液壓支架的靜力學性能進行分析，在銷軸位置處的接觸通過運動副的關系，設定運動部件間的關系，對液壓支架的整體性能分析不造成影響，由此對其靜力學性能進行分析。

圖1 液壓支架載荷作用模型

2 液壓支架靜力學結構分析與優化

對于液壓支架的模型，選取靜力學結果進行分析，得到液壓支架的應力分布如圖2所示，變形分布如下頁圖3所示。通過圖中的數據可以看出，液壓支架中頂梁和底板的應力值較大，最大應力為678 MPa，頂梁的應力主要集中在中后部位置，在頂梁鉸接位置處的應力值較大；液壓支架的整體變形量不大，最大位移量位于頂梁約束的另一側位置，最大位移量為25.8 mm。

圖2 液壓支架應力分布

圖3 液壓支架變形分布

通過對液壓支架的靜力學分析可知，在整體上液壓支架滿足使用要求，但所受到的應力值較大，特別是頂梁的結構產生了一定變形，在鉸接位置處的應力值較大，在長期的使用中，對于鉸接的強度及使用壽命造成一定的威脅。依據對液壓支架靜力學分析的結果，對頂梁進行結構優化采用頂梁的重量作為優化目標，各影響因素作為設計變量，對各設計變量進行一定的限制取值，作為約束條件[5]。采用隨機數法的方法對頂梁的結構進行優化計算，對于設定的約束條件，采用隨機的初始點按規定的步長進行搜索，確定求解點，并不斷進行疊加符合約束條件，經過多次的迭代搜索，實現對于頂梁結構參數的最優解[6]。依據給定的參數，對頂梁進行重新建模計算，得到優化后的頂梁應力分布如圖4所示。從圖4中可以看出，優化后的頂梁結構的應力分布狀態與優化前的一致，頂梁的主要應力分布在中后部位置處，頂梁的最大應力值為441 MPa，最大應力值大幅減小，且經過優化后的頂梁自身質量有所降低，優化的效果較好。

圖4 優化后頂梁的應力分布

3 結論

采用ANSYS軟件對液壓支架的整體結構進行靜力學仿真分析，結果表明，液壓支架的整體結構滿足使用需求，但受到的應力作用較大，不利于液壓支架的長期使用。以液壓支架的頂梁為例，采用隨機方向優化的方式，對頂梁的結構進行優化，結果表明，優化后的頂梁受到的應力作用有一定減小，且其自身的重量有所下降，優化效果較好。對于液壓支架的其他構件，同樣可以進行一定的優化計算，以提高液壓支架的整體性能。