基于Ansys 的礦用液壓支架底座受力分析及結構優化

姜元元

（永定莊煤業公司， 山西 大同 037000）

引言

井下煤礦開采中液壓支架是不可或缺的重要機械裝備，在保障煤礦開采安全方面發揮著不可替代的作用[1]。煤礦工作面的液壓支架使用量比較大，在煤礦運營成本中占據比例相對較高。利用傳統設計方法對礦用液壓支架進行設計時，考慮到液壓支架運行過程的可靠性要求較高，通常都會采取冗余設計的思路，即對結構件進行加大加厚處理[2]。這種設計思路雖然能有效保障液壓支架運行過程的穩定性和可靠性，降低設備運行過程中的故障率，但與此同時會帶來一系列問題，最典型的問題是使設備變得更加笨重，浪費資源，投資成本加大[3]。近年來，有限元方法在機械結構優化設計方面的應用越來越廣泛，不僅可以保障機械結構的可靠性，還能確保其結構規格尺寸最優[4]。本文以ZF3700/16/26 型液壓支架的底座為研究對象，利用Ansys 軟件對其結構尺寸進行優化改進，效果良好。

1 液壓支架底座有限元模型的建立

1.1 三維幾何模型的建立

以ZF3700/16/26 型液壓支架的底座為研究對象。首先利用Pro/E 軟件構建底座的三維幾何模型。需要指出的是，液壓支架底座的實際結構比較復雜，包含有很多倒角、倒圓等細小結構，且各結構件之間多通過焊接方式進行連接。如果完全按照實際結構建模，會導致模型非常復雜，不僅會影響計算過程的效率，甚至可能導致計算過程不收斂，無法得到想要的結果。所以建模時作簡化處理，將底座視為一個整體，且對倒角、倒圓等進行忽略[5]。

1.2 有限元模型的建立

如圖1 所示為液壓支架底座有限元模型。將建立好的三維模型導入到Ansys 軟件中。首先定義材料屬性，液壓支架底座通常使用Q550 鋼材加工制作，彈性模量和泊松比分別為2.06×105MPa 和0.28，密度為7.85 g/cm3，屈服強度和抗拉強度分別為550 MPa和630 MPa，延伸率大約為16%。模型中按照上述參數設置材料屬性，且將材料設置為各向同性，然后進行網格單元劃分。為了提升計算精度同時縮短計算時間，本模型基于非均勻網格進行劃分，在耳板和柱窩部位進行網格細化，選擇的網格類型為四面體網格，劃分得到的網格單元和節點數量依次為8 567 個和9 121 個。

圖1 液壓支架底座有限元模型

2 液壓支架底座受力分析及存在問題

2.1 受力結果分析

利用有限元分析軟件對模型進行計算后，可通過后處理模塊分析計算結果。如圖2 所示為提取得到的液壓支架底座的應力分布云圖，由圖2 可知，底座結構工作時承受的應力呈現出明顯的不均勻性，絕大部分位置應力非常小，幾乎為0。部分位置受力相對較大，出現了一定的應力集中現象，其中受力較大的部位主要集中在墊塊、柱窩以及耳板位置，應力最大值為93.46 MPa。

圖2 液壓支架底座的應力（Pa）分布云圖

2.2 存在的問題

液壓支架底座主要利用Q550 鋼材加工制作，該材料的屈服強度為550 MPa。根據機械工程中結構件安全系數至少為1.5 的基本要求，可以計算得到Q550 材料的許用應力值為366.67 MPa。通過有限元分析發現底座結構的最大應力值只有93.46 MPa，遠遠低于材料的許用應力值。出現這種情況的主要原因是在底座結構設計方面，將鋼材的尺寸或厚度設置過大，導致結構件剛度、強度等出現了冗余。這種設計思路雖然能更好地保障底座結構運行過程中的安全性和可靠性，能抵抗更大的外部作用力保證不發生故障問題，但是過分的冗余是對鋼材資源的浪費，會增加液壓支架整體的生產加工成本。

3 液壓支架底座結構的優化改進

3.1 優化改進思路

對于液壓支架底座，耳板、柱窩和墊板結構是影響其性能的關鍵部位，也是影響整個底座重量比較顯著的部位，所以以上述3 個部位的結構參數為優化對象。在ZF3700/16/26 型液壓支架的底座結構中，墊塊寬度P1、柱窩高度P2 和耳板厚度P3 的初始值分別為160 mm、350 mm 和60 mm。為了不對原始底座結構做過多的改進，影響整個加工工藝過程。本次主要在3 個結構參數初始值的±10%范圍內進行優化。如圖3 所示為確定的3 個優化對象的尺寸變化范圍。

圖3 優化對象的變化范圍

優化改進過程中要求在相同的工況條件下，液壓支架底座的最大應力值不得超過Q550 材料的許用應力值，以此來保障底座結構正常工作時的穩定性和可靠性，以上即為優化時的約束條件。以底座結構的重量為優化目標，即在尺寸變化范圍以內，且在滿足材料許用應力值的前提下，確保結構件的重量最低。

3.2 優化改進結果

根據以上優化改進思路，利用Ansys 軟件開展優化改進工作。優化時軟件會自動在上述3 個范圍內分別取值，并建立有限元模型進行計算分析，然后對不同模型結果進行對比，在滿足約束條件的情況下，選出結構件質量最小的作為最終的優化結果。如圖4 所示為液壓支架底座優化前后技術指標對比情況。從圖4 中可以看出，優化改進后的墊塊寬度、柱窩高度和耳板厚度分別為145.04 mm、324.44 mm 和54.07 mm，以上3 個結構尺寸與原始尺寸相比較分別減小了14.96 mm、25.56 mm、5.93 mm。

圖4 液壓支架底座優化前后技術指標對比情況

如圖5 所示為液壓支架底座優化后的應力分布云圖。從圖5 中可以看出，優化后的底座結構應力分布規律基本上與優化前相同，同樣出現了一定的應力集中現象，主要集中在耳板、柱窩和墊塊上，但最大應力值提升到了132.31 MPa。與優化前相比，應力最大值提升了38.84 MPa，仍然在材料的許用應力值范圍內，可以保障底座結構運行的可靠性。

圖5 液壓支架底座優化后的應力（Pa）分布云圖

優化前液壓支架底座整體質量約為16 085 kg。通過結構優化改進，關鍵部位的尺寸均有所降低，所以整體質量也有所降低，最終結果約為12 943 kg。與優化前相比較，整體質量降低了3 142 kg，降低幅度為19.53%。大型設備重量與價格之間呈線性關系，底座結構重量降低意味著加工成本會出現大幅度降低。

4 應用效果分析

為了驗證液壓支架底座結構優化改進的可靠性，根據優化方案加工底座，并將其部署到ZF3700/16/26型液壓支架工程實踐中。目前優化后的底座結構在工程中已經應用超過一年時間。整體上運行良好，沒有出現明顯的故障問題，驗證了優化改進的合理性。通過此次優化改進，降低了液壓支架底座零部件的加工生產成本，幅度約為19.53%，為企業創造了良好的經濟效益，獲得了相關技術人員的一致好評。

5 結語

以ZF3700/16/26 型液壓支架底座為研究對象，基于Ansys 軟件對底座受力情況進行分析，并對其結構進行優化改進。所得結論主要有：利用Ansys 軟件建立有限元模型對底座結構的受力情況進行分析，發現最大應力值為93.46 MPa，遠低于Q550 材料的許用應力值，存在冗余問題；以底座整體重量為優化目標對關鍵結構尺寸進行優化改進，在確保底座最大應力不超過許用應力的前提下，使其整體質量降低了3 142 kg，降低幅度為19.53%；將優化后的底座結構應用到液壓支架工程實踐中，整體運行良好，大幅度降低了底座的生產加工成本。