基于Workbench的ZC10000型液壓支架底座結構強度分析

宋 亮

（陽泉煤業（集團）有限責任公司大陽泉分公司，山西 陽泉 045000）

引言

液壓支架主要被用于井下煤炭開采過程中對巷道的支撐，方便采煤機的移動或煤炭資源的運輸，對保障煤炭的安全生產具有重要作用。但液壓支架在實際使用中也常出現各類故障，常見的故障包括底座塌陷、頂梁結構破壞、液壓撐桿破壞等故障?，F基于已有的ZC10000型液壓支架，分析其底座在兩種工況下應力分布情況，可為液壓支架底座的結構優化設計提供有力參考[1]。

1 ZC10000型液壓支架底座結構

ZC10000型液壓支架底為鋼制焊接結構，在工作狀態主要承受來自頂板所傳遞的載荷，底座承受的載荷較大，因此要求底座應具有較高的強度和剛度。底座除了對結構進行支撐外，還作為液壓支架的走行機構，為了減小其運行過程中的助力和適應底部高低不平的地形，底座前端設計為滑撬形。

同時液壓支架底座還設置有安裝立柱、液壓裝置等設備空間，ZC10000型液壓支架底座采用分式底座結構形式，底座長度為3 400 mm，寬為1 610 mm，底座結構均采用厚鋼板板材焊接而成。該型液壓支架底座分為左右兩個坐箱，兩坐箱的前端采用彈簧鋼連接，底座的柔性增加，同時整體性降低，其結構、外形如圖1所示[2]。

圖1 底座機構與外形圖（單位：mm）

2 Workbench簡介

自ANSYS7.0及之后的ANSYS版本開始，ANSYS公司推出了簡化通用版ANSYS Workbench，并且目前均已發展至2020 R1版本。ANSYS Workbench是為了適應現在仿真分析行業激烈的產品競爭開發出來的，該軟件具有操作簡單、易于學習等特點。ANSYS Workbench仿真平臺可實現對復雜機械系統的結構靜力學、結構動力學、剛體動力學、流體動力學、熱力學耦合場等進行分析，計算結果可靠。

基于Workbench的仿真環境與傳統仿真軟件比較有如下優勢：用戶化操作界面，可操作性強，用戶可以根據需要添加已經設置好的模塊；集成度高，Workbench不僅僅是一個求解器，其還可以進行較為復雜的前處理；可與部分CAD軟件實現參數化共享，直接在三維軟件中更改模型參數即可實現對有限元模型的更改[3]。

3 三維建模

目前三維建模軟件發展較為迅速，出現了多種常用的軟件如UG、SolidWorks、PRO/E、CATIA，這些軟件均各有優勢，采用SolidWorks建立ZC10000型液壓支架三維模型，該軟件具有操作簡單，易于使用等特點，同時自身還具備參數化設計、基于特征建模、單一數據庫等優點。參數化設計可以通過改變設計參數修改產品的尺寸，達到快速完成產品設計的目的，對結構的設計與改進具有重要意義[4]。

為了得到可靠的計算結果，首先根據液壓支架的工程圖創建三維模型，為避免產生不收斂或計算耗時過大等情況，需要對模型做簡化處理。對模型的簡化處理應不影響對液壓支架結構強度計算結果，因此模型簡化遵循如下準則：液壓支架上輔助設備安裝連接位置、連接板之類；非承載式筋板可以簡化，對于一般的小開孔、耳板等結構可以做簡化處理；焊接處焊縫強度與原材料一致，焊縫處強度未減弱，因此可以將模型視為一個整體進行建模，如圖2所示為底座三維模型[5]。

圖2 底座三維模型

4 有限元分析模型建立

4.1 材料屬性

ZC10000型液壓支架主要部件材料采用的是Q690，材料屈服強度為690 MPa，材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量2.04×105MPa，泊松比為0.3，各接觸部件之間設置接觸。

4.2 網格劃分

模型網格的處理對有限元分析計算結果影響較大，控制網格大小的同時需注意軟件的求解計算能力，所以應適當控制單元格大小。采用軟件自主網格劃分方法，設置網格參考尺寸為30 mm，設置網格網格畸變系數為0.9，并將單元類型設置為SOLID45實體單元。

4.3 載荷工況

液壓支架載荷結構強度分析載荷工況并形成了相關的標準，在此參照《液壓技術通用技術條件》標準，選擇頂梁偏載工況和頂梁扭轉工況兩種工況進行分析，按照標準進行加載，在此不再對其載荷加載位置做過多說明[6]。

5 計算結果

基于有限元第四強度理論對ZC10000型液壓支架底座結構進行強度分析，并根據計算結果對結構提出優化改進意見，為液壓支架的結構設計提供重要的理論參考，下面分別對兩種工況下計算結果進行分析。

5.1 偏載工況

頂梁在偏載工況下應力與應變計算結果如圖3所示，根據其應力計算結果可知應力比較大的區域主要出現在底座與四根立柱相接觸的區域。應力最大值為553.89 MPa，最大應力值點位于底座右側板與墊塊接觸的位置。

根據底座的形變計算結果可知，底座的整體變形較小，如圖3-1所示，但底座與立柱連接耳板位置變形較大，最大位移值為18.812 mm，由此可見液壓在偏載工況作用下產生了比較明顯的偏載荷扭轉，在結構優化中應對此進行結構優化。

圖3 偏載工況計算結果

5.2 扭轉工況

如圖4所示為底座在扭轉工況下應力與應變計算結果，底座在此工況下最大應力值為509.9 MPa，最大應力值位于立柱與底座連接銷孔的連接耳板上。而底座其他位置應力均較小，說明結構在此位置存在應力集中的情況。

圖4 扭轉工況計算結果

根據4-1所示，應變計算結果可知，底座結構產生了明顯的扭轉，底座左側位移值明顯大于右側，最大位移值為20.252 mm，其余位置的位移均較小，在結構優化設計應考慮底座的抗扭轉載荷作用的能力。

6 底座結構優化改進措施

根據液壓支架的有限元計算分析結果，在兩種較惡劣的載荷工況下，底座的過橋應力集中明顯，最大應力達到553.89 MPa，同時在扭轉工況下底座的變形較大，達到了20.252 mm。因此根據計算結提出底座的結構優化改進意見：將底座過橋加厚到50 mm，但底座側板和筋板受載較小，可將其厚度適當減小，可增加底座側板的厚度或者采用強度更高的鋼材，提高底座的抗扭轉作用。改進后底座如圖5所示。

圖5 底座優化改進位置