液壓支架整機靜強度試驗及等效應力分析

趙 北，黎德才，王 海，馬 輝

（1.三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027；2.東北大學機械工程與自動化學院，遼寧 沈陽 110819）

1 引言

液壓支架是煤礦開采主要配套設備之一，在液壓支架的結構設計過程中，目前多采用有限元方法進行靜強度校核，以保證設計的有效性；為了準確評估設計的有效性，也通過制作物理樣機，進行壓架試驗來測試支架的應力分布情況。兩種方法各有優缺點，有限元方法具有高效、節省成本的優點，但由于具有很多簡化和假設，計算結果的準確性需要試驗進行校驗和修正，可用在設計初期用于評估和篩選設計方案。試驗方法將耗費大量人力、物力與時間，具有效率低的不足，由于受到測點布局的限制，很難評估每個位置下的應力分布，但是測試結果一般認為更符合實際情況，也可用于對仿真模型進行修正。

很多學者也開展了相關的實驗研究工作，主要用于仿真結果的校驗。文獻［1］對ZZ5600/23/47型支撐掩護式液壓支架頂梁扭轉、頂梁偏載、底座扭轉進行了應力測試，試驗布置了20個測點，測試得到的等效應力均小于40MPa，最大應力出現在底座扭轉工況。文獻［2］對比了某型號液壓支架的有限元仿真和試驗測試應力，給出了頂梁兩端集中載荷工況和底座兩端集中載荷工況下20個測點的試驗結果，結果表明兩種工況下測試得到的最大應力均小于100MPa，最大應力出現在底座兩端集中載荷工況。文獻［3］對頂梁偏心加載、頂梁扭轉加載和頂梁兩端加載三個工況，采用電測法測試了若干測量點的應力分布，試驗采用單向應變片，試驗得到的最大應力為175MPa的壓應力，發生在頂梁兩端加載工況。文獻［4-5］對ZF5000/16/28型液壓支架進行了應力測試，給出了頂梁兩端、頂梁扭轉和底座扭轉三種加載工況下的14個測點的應力分布，結果表明三種工況下最大應力依次為537.74MPa、467.88MPa和236.68MPa；文獻［6］也給出了該型號液壓支架14種工況下的應力測試結果，其結果表明頂梁扭轉工況應力最大，其等效應力達到了613.96MPa。文獻［7］對ZY3500/15/35型液壓支架進行了應力測試，實驗布置了32個測點，對19個工況進行了應力測試，最大應力出現在頂梁扭轉工況，最大應力為-424.88MPa。文獻［8］對ZF10500/20/36型液壓支架底座扭轉、頂梁偏載、頂梁扭轉三個工況進行了應力測試，提取了15個測點的Von Mises等效應力，結果表明頂梁偏載工況下應力最大（最大值為211.6MPa）。

由上述文獻調研可知，雖然很多學者在液壓支架應力測試方面開展了一定的研究工作，但實驗研究工作相對于仿真來說仍然偏少，很少研究開展多次重復試驗，來評估試驗的可重復性，以及各種實驗干擾對實驗結果的影響。針對ZY6800/08/18D型液壓支架，這里通過兩次實驗以及在應力梯度變化較大的區域通過增加輔助測點，來評估該型號液壓支架的應力分布，給出了兩次實驗過程的測試應力對比，分析了誤差原因。

2 試驗裝置簡介

液壓支架壓架靜強度試驗在3000t壓架試驗臺上進行，如圖1（a）所示。主要試驗儀器包括：LMS數據采集儀（VB8E、DB8板卡，128通道）和應變片采用中航電測應變片（直角應變花，120歐姆）。

圖1 試驗照片及測點標識圖Fig.1 Test Photos and Identification Graph of Test Points

測點布置：對該液壓支架的靜強度共進行了2次試驗，第1次試驗布置了25個測點，第2次試驗將第1次中應力值較小的測點剔除，保留應力較大的20個測點，如圖1（b）所示，并在應力變化梯度較大的測點增加（1～2）個輔助測點來保證測試結果的準確性。因此，第2次試驗共計39個測點，部分測點，如圖1（a）所示。其中，測點8布置了8′（主測點）、8″（輔助測點）和8″′（輔助測點）3個測點，其余測點標號規則類似。

試驗工況：5個試驗工況，如圖2所示。其中，2次試驗不同工況下的墊塊布置參數，如表1所示。試驗臺上臺架與頂梁接觸的表面距離地面1525mm，液壓支架額定工作壓力42.3MPa，根據GB 25974.1-2010《煤礦用液壓支架第一部分：通用技術條件》標準［9］，試驗采用1.2倍工作壓力，即50.76 MPa，所有工況加載壓力均參考此壓力，液壓缸實際壓力，如表1所示。

表1 試驗測試工況參數Tab.1 Test Operating Condition Parameters

圖2 不同工況示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Different Working Conditions

測試過程：測試環境溫度10℃，測點處彈性模量210GPa，泊松比0.3。每個試驗工況采集3組數據，加載時間5min，數據分析時采用穩定狀態下的Von Mises應力平均值，作為測試的準確結果。

3 試驗結果分析

以第2次試驗工況1為例，給出了4個應力較大位置的主測點及輔助測點（見圖1（a））的Von Mises 應力曲線，如圖3 所示。由圖可知，測試過程從加載有個穩定過程，從測試開始大約2分鐘應力值趨于穩定，選擇穩定的階段的應力作為最終測試結果。有些測點應力梯度變化較大如8#測點，如圖3（c）所示。該測點周圍焊縫較多，周圍結構復雜，受力復雜。為了詳細分析8#測點變形情況，也給出了三個方向的單向應變圖，如圖4（a）所示。由圖也可看出三個應變花每個單軸向應變變化梯度也較大，如圖4所示。壓應變主要出現在a方向，其應力值要大于拉應變，其主測點8′的壓應變最大，b向的拉應變輔助測點8″′拉應變最大，c向的拉應變輔助測點8′拉應變最大，由這些測點不同方向的應變分析可以推斷，8′測點應力最大，8″測點次之，8″′最小，且以壓應力為主，這些推測最后也得到了證實，如圖6所示。

圖3 不同測點應力圖Fig.3 Stress Diagram of Different Measuring Points

圖4 8#測點三個方向應變圖Fig.4 Strain Diagram in Three Directions of Measuring Point 8#

兩次實驗主測點應力對比，如圖5所示。其中，第1次試驗7#測點由于貼片問題，未能得到有效數據，故在圖5中去掉7#測點結果。由圖可知：（1）對于工況1，應力較大的區域出現在23#（頂梁）、5#（頂梁）和8#（頂梁）測點，即頂梁柱窩附近，最大應力值為359.7MPa。兩次測試結果展示等效應力變化規律基本相同，如圖5（a）所示。其中，6#和15#測點誤差較大，誤差分別達到了43.6%和52.4%。（2）對于工況2，應力較大的區域出現在15#（底座）、24#（連桿）和20#（底座）測點，最大應力值為197MPa。兩次測試結果展示等效應力變化規律基本相同，如圖5（b）所示。其中，11#、14#和23#測點誤差較大，誤差分別達到了31.3%、38.6%和50.7%。（3）對于工況3，應力較大的區域出現在11#（底座）、12#（底座）和15#測點，最大應力值為448.3MPa。兩次測試結果展示等效應力變化規律基本相同，如圖5（c）所示。其中，12#、19#和20#測點誤差較大，誤差分別達到了30.4%、28.8%和62.3%。（4）對于工況4，應力較大的區域出現在11#、16#（底座）和17#（底座）測點，最大應力值為496.4MPa。兩次測試結果展示等效應力變化規律基本相同，如圖5（d）所示。其中，11#、16#和25#測點誤差較大，誤差分別達到了25.7%、30.2%和50.4%。（5）對于工況5，應力較大的區域出現在8#、15#和23#測點，最大應力值為168.8MPa。第2測試大多數測點要大于第1測試結果，如圖5（e）所示，其中，8#、15#和23#測點誤差分別達到了31.1%、40.4%和46.8%。

圖5 典型工況下兩次實驗對比Fig.5 Two Experimental Comparisons under Typical Working Conditions

第2次試驗5個典型工況下主測點和輔助測點的應力對比，如圖6所示。由圖可知：（1）對于工況1三個應力較大的測點，6#測點的輔助測點相對于主測點，其應力分別降低24.1%（測點6′′）和32%（測點6′′′）；8#測點的輔助測點應力分別降低8.0%（測點8′′）和30.7%（測點8′′′）；23#測點則分別增加1.7%（測點23′′）和5.4%（測點23′′′）。（2）對于工況2三個應力較大的測點，11#測點的輔助測點相對于主測點，其應力分別降低10.0%（測點11′′）；15#測點分別增加1.9%（測點15′′）；20#測點分別增加0.9%（測點20′′）。總體來說應力較大位置，應力變化梯度不大。（3）對于工況3三個應力較大的測點，8#測點的輔助測點相對于主測點，其應力分別降低17.3%（測點8′′）和48.2%（測點8′′′）；11#測點分別增加3.0%（測點11′）；23#測點分別增加13.6%（測點23′′）和20.4%（測點23′′′）。（4）對于工況4三個應力較大的測點，11#測點的輔助測點相對于主測點，其應力分別降低11.7%（測點11′′）；16#測點分別降低7.4%（測點16′）和增加22.7%（測點16′′′）；17#測點分別增加1.2%（測點17′′）。（5）對于工況5三個應力較大的測點，8#測點的輔助測點相對于主測點，其應力分別降低17.5%（測點8′′）和45.1%（測點8′′′）；15#測點分別增加1.1%（測點15′）；23#測點分別增加11.1%（測點23′′）和19.9%（測點23′′′）。

圖6 輔助測點應力梯度變化Fig.6 Variation of Stress Gradient at Auxiliary Measuring Points

從以上靜應力分析，總結一下可能產生誤差的原因如下：①墊塊在做實驗過程中，由于位置很難保證一致，導致兩次實驗墊塊位置存在偏差，如表1所示。這些會導致邊界條件不完全一致。②液壓缸壓力很難保證完全一致，所以立柱提供的載荷在兩次實驗過程中存在一定誤差，如表1所示。這些會導致載荷條件不完全一致。③兩次實驗測點位置，并不能保證完全一致，對于壓力梯度變化較大的區域會有很大影響。

4 結論

這里主要對ZY6800/08/18D 型液壓支架進行了5 種典型工況下的兩次靜應力測試，分析了兩次測試結果誤差，給出了誤差來源，總結了各種典型工況下的危險位置和應力大小。主要結論如下：（1）一般來說頂梁加載工況下頂梁部位應力較大，如頂梁扭轉工況，底座加載工況下底座部位應力較大，如底座扭轉工況和底座對角工況；而頂梁偏載工況其最大應力位置出現在底座和連桿，底座兩側對稱加載工況，頂梁和底座均出現了較大的應力。（2）兩次實驗等效應力測試結果表明五種工況下，底座對角工況應力最大、最危險，主要出現在底座測點；其次為底座扭轉工況和頂梁扭轉工況；頂梁偏載和底座兩側對稱工況應力最小，相對安全一些。（3）在一些比較危險且應力梯度變化較大的區域，如8#測點位置（頂梁柱窩位置），需要增加輔助測點，以便準確掌握危險位置復雜的應力變化情況。