ZY12000/20/40D型液壓支架的有限元分析及結構優化

閆磊 魏濤 李文婷

摘要：以ZY12000/20/40D型液壓支架為對象，基于SOLIDWORKS軟件建立了該型號液壓支架的有限元模型，利用ANSYS Workbench軟件對整體結構性能及關鍵部件結構結構強度進行了詳細分析。計算結果顯示，液壓支架的頂梁局部出現應力集中，最大應力值超過材料的屈服強度。根據實際情況對頂梁兩側主筋外的貼板長度進行優化，再次建模分析后發現頂梁的最大應力值由優化前的912.39MPa降低到了481.26MPa。

關鍵詞：液壓支架 結構性能 有限元 受力分析 優化改進

中圖分類號：TD355.41?文獻標識碼：B

0?引言

煤炭作為我國一次能源中最經濟、可靠的資源，加大對其的開采力度，保證煤礦開采中的安全性，成為當前企業重點考慮的方向[1]。液壓支架是煤礦開采中的關鍵設備之一，其高可靠的支護性能對井下安全作業至關重要。由于井下工況復雜，經常出現結構變形、局部開裂等失效現象，對井下安全作業構成嚴重威脅[2]。煤礦企業和科研院所已針對不同型號的液壓支架開展了深入的分析和研究，且取得了一些研究成果[2-4]。因此，以ZY12000/20/40D型液壓支架為研究對象，對其使用過程中的整體結構性能進行分析和研究，并進行優化改進，對提升該型號液壓支架支護性能的可靠性，保障井下安全作業具有重要意義。

1 液壓支架概述

礦用液壓支架主要類型包括支撐式、掩護式和支撐掩護式等類型，需根據井下實際工況，采用相應的液壓支架類型。ZY12000/20/40D型液壓支架為兩柱掩護式液壓支架，其結構主要包括頂梁、底座、掩護梁、連桿、立柱、千斤頂、控制系統等部件。主要技術參數為：工作阻力可達12000kN，支護強度在1.27～1.32MPa范圍內，支架中心距為1.75m，支架高度和寬度分別可以在2.0～4.0m和1.66～1.86m范圍內根據需要進行調整，可適應煤層最大傾角為15°。

2 液壓支架有限元模型的建立

2.1 幾何模型建立

由于液壓支架整體結構復雜，為了確保計算結果精度和計算過程的速度，在利用SOLIDWORKS軟件建立幾何模型時，對于一些非必要的側護板、連接耳板、小孔、閥板等結構進行簡化處理，將建立好的三維模型導出為STEP格式，然后將其導入到ANSYS Workbench軟件中進行零件合并、接觸關系設置、加載印記面設置、材料參數設置等處理，最終生成液壓支架的幾何模型，如圖1所示。該型液壓支架采用的板材主要是Q690鋼材，管棒材主要是27SiMn 鋼。兩種材料的力學指標見表 1 所示。

2.2 模型網格劃分

ANSYS中有多種類型的網格單元，比如常見的有四面體和六面體單元，網格劃分及網格質量會影響模型的計算過程和結果[5]。根據該型液壓支架的結構尺寸，選用四面體網格單元，網格大小為20mm，并對重要部位進行加密處理[6]，整體網格質量如圖2所示。分析時間設置為10s，分析步為0.5s。

2.3 載荷施加

根據國家標準《GB25974.1-2010煤礦用液壓支架第1部分：通用技術條件》中對液壓支架載荷施加型式的規定，對ZY12000/20/40D型液壓支架進行靜態強度評估。該型號液壓支架分析的工況為：（1）頂梁依靠墊塊進行對角加載（加載方式如圖3所示）;（2）底座依靠墊塊進行扭轉加載（加載方式如圖4所示）;（3）兩個立柱油缸采用等效液壓加載來提供結構支撐力并克服工作阻力，液壓支架立柱的安全閥設定壓力為43.31MPa，加載力按1.2倍工作阻力進行加載，經計算Ⅰ級立柱下腔壓力為PⅠ=51.97MPa、Ⅱ級立柱上腔壓力為 PⅡ=101.86MPa，（如圖5所示）;（4）平衡千斤頂上、下腔壓力為PⅢ=37.5MPa，（如圖4所示）。

4 液壓支架結構性能研究

4.1整架模擬結果分析

通過模擬仿真分析，得到液壓支架頂梁對角加載和底座扭轉加載工況下整架的結構應力分布云圖及變形趨勢云圖。由圖6可知，整架在扭轉工況下的仿真變形趨勢與實際變形趨勢相近。如圖7所示，整架在扭轉工況下出現了較為明顯的應力分布不均勻現象，最大應力值達到了912.39MPa。

4.2關鍵部件模擬結果分析

從計算出的整架分析結果中提取出頂梁、底座、掩護梁、前后連桿等關鍵部件的應力分布云圖，由圖8可知，頂梁左柱帽后主筋板套筒孔周圍的區域出現了較為明顯的應力集中現象，該區域的最大應力值達到了912.39MPa，超過了Q690鋼材的屈服強度，但頂梁其余區域的應力值分布比較均勻，且應力值均小于Q690鋼材的屈服強度。由圖9可知，底座整體應力分布比較均勻，最大應力值為446.61MPa。掩護梁、前連桿、后連桿應力分布比較均勻，且應力值遠低于Q690鋼材的屈服強度。雖然頂梁出現應力集中的區域較小，但液壓支架在長時間作業過程中局部位置長期承受較大應力，那么應力集中的部位將會容易造成損傷，會在一定程度上影響支架運行的穩定性和安全性。基于此，有必要對頂梁結構進行優化改進，消除頂梁的應力集中現象，提升支架受力的均勻性。

5 液壓支架結構優化改進研究

考慮到ZY12000/20/40D型液壓支架在工作過程中，頂梁部位的受力和變形情況最為嚴重，在后續的結構優化中，主要以頂梁結構作為優化對象。結合上述實際情況，將頂梁優化方案確定為：頂梁兩側主筋外的貼板向頂梁鉸接方向加長200mm。

根據優化改進后的頂梁結構尺寸，重新利用SOLIDWORKS和ANSYS Workbench軟件建立對應的有限元模型，并對其進行受力分析。分析結果發現：液壓支架整體的位移變形趨勢與優化前基本相同。但頂梁部位的最大應力值由優化前的912.39MPa降低到了481.26MPa，最大應力值的降低意味著整個液壓支架的受力情況變得更均勻，能夠提升設備運行穩定性，且最大應力值已經降低到了材料的許用應力值，能夠滿足設備長時間運行的要求。

將以上液壓支架結構優化改進方案應用到ZY12000/20/40D型液壓支架中，經過連續半年個月時間的測試，發現運行效果良好。液壓支架運行過程穩定，沒有出現較大的故障問題，改造效果得到了煤礦企業技術人員的一致認可。

6 結語

礦用液壓支架在保障煤礦開采安全方面發揮著極其關鍵的作用，因此必須提升液壓支架運行過程的穩定性。利用SOLIDWORKS和ANSYS Workbench軟件建立了ZY12000/20/40D型液壓支架的有限元模型，并對其工作時的受力情況進行分析。發現頂梁左柱帽后主筋板套筒孔周圍的區域出現了較為明顯的應力集中現象，對設備運行安全問題構成了一定程度的威脅。通過對液壓支架頂梁結構進行優化改進，再次進行建模分析后發現液壓支架的最大應力有了顯著降低，通過優化改進，在很大程度上提升了液壓支架運行的安全性。

參考文獻：

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[2]李耀彤.基于ABAQUS軟件對液壓支架掩護梁的優化研究[J].江西煤炭科技，2021 （1） ：201-203.

[3]田海波.煤礦液壓支架電液控制系統研究[J].國新技術新產品，2020（6）：5-6.

[4]張曉菲.煤礦液壓支架常見故障及防范措施[J].能源與節能，2019（3）：111-112.

[5]秦利歐.ZF8000/20/3 8型礦用液壓支架受力分析及結構優化[J].機械管理開發，2021（5）：67-69.

[6]溫鵬.關于ZY17500型大采高液壓支架關鍵部件強度的有限元分析[J].機械管理開發，2021（4）：92-94.

作者簡介：閆磊（1985—），男，碩士，工程師，煤礦用液壓支架的設計。