□ 李 奇 □ 李祥松

沈陽工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院 沈陽 110136

礦用液壓支架是與刮板輸送機(jī)、采煤機(jī) （或刨煤機(jī)）聯(lián)合使用的井下煤礦采集設(shè)備。在采煤過程中，液壓支架會受到來自采空區(qū)頂板的巨大壓力，而此時，工作人員會在支架下調(diào)試采煤設(shè)備的各種參數(shù)。若液壓支架由于本身的強(qiáng)度問題被壓潰，其后果將是災(zāi)難性的，因此，液壓支架的可靠性研究具有重要的理論意義與實(shí)際意義。

長期以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究［1-3］。 任錫義［4］利用 AMESim 與 ADAMS 各自的功能，分別在兩個軟件平臺的基礎(chǔ)上建立了系統(tǒng)的仿真模型來實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真，對液壓支架整體的動態(tài)特性進(jìn)行了有效分析。李長江［5］對液壓支架進(jìn)行了三維建模和空間有限元受力分析，并對重要結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了相關(guān)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力、應(yīng)變狀況和固有頻率。K Dasgupta和 R Karmakar［6］利用計(jì)算機(jī)仿真軟件對液壓元件所受的沖擊載荷進(jìn)行了模擬。

本文以某礦用液壓支架為研究對象，建立了液壓支架的有限元模型。針對液壓支架在井下的惡劣工況，首先運(yùn)用有限元分析軟件對該礦用液壓支架進(jìn)行靜力學(xué)分析。然后，根據(jù)仿真結(jié)果選取相關(guān)測點(diǎn)，對其進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過兩者的數(shù)據(jù)對比，驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性。本文的研究為以后液壓支架的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、選材等提供了一定的理論依據(jù)。

1 液壓支架有限元模型的建立

以某礦用液壓支架為研究對象，運(yùn)用有限元軟件建模，建模時，簡化了對整機(jī)受力影響不大的部件與結(jié)構(gòu)。在立柱的簡化方面，雖然立柱不是應(yīng)力試驗(yàn)的關(guān)注對象，但卻是提供支撐力的裝置，因此可由千斤頂缸內(nèi)油壓計(jì)算出的支撐力來替代，即在千斤頂與頂梁和底座的連接處施加支撐力來代替千斤頂。同理，在底座兩端集中載荷工況下，將狹長鋼板放置在底座下方，千斤頂支撐力的施加方式與前者相同。液壓支架的簡化模型如圖1所示。

網(wǎng)格劃分采用帶有中間節(jié)點(diǎn)的四面體與六面體單元，這種單元的特點(diǎn)在于可以應(yīng)用較少的單元數(shù)量來獲得更加精確的結(jié)果［7］。在網(wǎng)格劃分時，根據(jù)液壓支架在試驗(yàn)中的受力情況，對頂梁和底座進(jìn)行了加密處理。后連桿與掩護(hù)梁因試驗(yàn)工況的原因受力較小，因此使用較為粗大的網(wǎng)格以減小計(jì)算規(guī)模。在本次分析中，模型共有343 227個節(jié)點(diǎn)與178 256個單元，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

▲圖1 液壓支架的簡化模型

▲圖2 液壓支架有限元網(wǎng)格模型

2 液壓支架受力分析

液壓支架在實(shí)際工作中，載荷的主要來源為覆巖壓力和沖擊地壓以及掩護(hù)梁上矸石的作用力。隨著外力的增大，立柱油壓也會隨之增大來平衡外載荷，直到油壓大于立柱安全閥的調(diào)定壓力而使液壓支架卸荷為止。然而實(shí)際的壓力狀況是多變的，油壓的變化也是一個完全隨機(jī)的過程，因此試驗(yàn)中采用千斤頂?shù)念~定承載能力來測試液壓支架的承載性能［8］。試驗(yàn)中的液壓支架頂梁與底座的受力簡圖如圖3、圖4所示。

▲圖4 底座受力簡圖

▲圖3 頂梁受力簡圖

以頂梁受力為例，Q為頂板壓力，P1為前立柱支撐力，P2為后立柱支撐力，θ1、θ2分別為前立柱、后立柱與豎直方向的夾角。根據(jù)圖3、圖4所示的受力狀態(tài)有：

P1與P2通過立柱油壓計(jì)算為2 480 kN，取夾角θ1為 70°、θ2為 3°，計(jì)算出 Q 為 4 938 kN。 由于此液壓支架為左右對稱結(jié)構(gòu)，因此總的外部壓力應(yīng)為Q的2倍，即9 876 kN，此數(shù)值即為該液壓支架的額定載荷。

3 有限元分析結(jié)果

在施加了相應(yīng)的邊界條件后，對液壓支架進(jìn)行相應(yīng)的模態(tài)求解，得到頂梁與底座在集中載荷工況下的應(yīng)力云圖，如圖5、圖6所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與在實(shí)際工作中的易損點(diǎn)，在整臺支架上取20個應(yīng)力測試點(diǎn)，這些應(yīng)力測試點(diǎn)的分布為：底座 5 個，編號為 1、2、3、4、5；前后連桿 6 個，編號為 6、7、8、9、10、11；掩護(hù)梁 3 個，編號為 12、13、20；頂梁 6 個，編號為 14、15、16、17、18、19。 提取這些點(diǎn)的應(yīng)力值與試驗(yàn)值作對比，以驗(yàn)證有限元分析的準(zhǔn)確性。

由圖5和圖6可以看出，頂梁和底座在墊板位置有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在應(yīng)力集中處的中心位置，結(jié)構(gòu)的變形最大，這與實(shí)際是相符的。

4 液壓支架整機(jī)應(yīng)力試驗(yàn)

液壓支架在實(shí)際工作時，其頂梁和底座都不是與平坦的平面接觸，而是與凹凸不平的煤層或矸石接觸。在這種工況下，頂梁和底座可能會有應(yīng)力集中現(xiàn)象。按照煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT312-2000的要求，試驗(yàn)過程中需通過模擬頂梁和底座因受到集中載荷而彎曲的工況來檢測支架的可靠性。

▲圖5 頂梁兩端集中載荷工況下的等效應(yīng)力云圖

▲圖6 底座兩端集中載荷工況下的等效應(yīng)力云圖

試驗(yàn)中用兩塊狹長鋼板分別放置在頂梁和底座的兩端，當(dāng)液壓支架的立柱頂起后，兩端的鋼板會先與固定壁面接觸，頂梁或底座的中間部位會因兩端的集中載荷而彎曲變形，以此達(dá)到模擬液壓支架惡劣工況的目的。

應(yīng)用2 500 t壓架試驗(yàn)臺來模擬實(shí)際工況。首先將支架放置在壓架試驗(yàn)臺下，打磨貼片點(diǎn)，并黏貼應(yīng)變花。之后調(diào)節(jié)泵站出口壓力，使立柱內(nèi)油壓達(dá)到試驗(yàn)要求值。此時有應(yīng)力值輸出，當(dāng)應(yīng)力值穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集方面，試驗(yàn)采用60通道靜態(tài)應(yīng)變儀與應(yīng)變片采集各測試點(diǎn)的應(yīng)力，可以測試測點(diǎn)3個方向的應(yīng)力值，使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確（試驗(yàn)現(xiàn)場如圖7所示）。

5 對比分析

為驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，必須將試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果進(jìn)行對比分析，若兩者誤差較小，則可以認(rèn)為有限元模型能夠近似地模擬實(shí)際工況，可信度較高。試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析結(jié)果的對比如圖8、圖9所示。從圖中可以看出，試驗(yàn)結(jié)果值與有限元仿真結(jié)果較為接近，誤差在可接受范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了有限元分析的準(zhǔn)確性。

▲圖7 ZJ01型液壓支架應(yīng)力測試現(xiàn)場

▲圖8 頂梁兩端集中載荷工況數(shù)據(jù)對比

▲圖9 底座兩端集中載荷工況數(shù)據(jù)對比

在僅承受靜壓力的狀態(tài)下，液壓支架的絕大部分載荷均由頂梁和底座承擔(dān)，掩護(hù)梁、前后連桿以及各銷軸處應(yīng)力很小，這是符合設(shè)計(jì)要求的。原因在于如果將巨大而又持久的壓力集中在這些較小的部件上，再加上井下的惡劣條件，這些部件將極易發(fā)生損壞，而一旦這些部件失效，后果將是災(zāi)難性的。相反的，如果壓力通過較大的頂梁和底座兩部件傳給千斤頂來承擔(dān)，則可以發(fā)揮液壓傳動承載能力大、穩(wěn)定性好、堅(jiān)固耐用的特點(diǎn)，使整機(jī)的性能更加可靠。

在有限元分析過程中，鋼板與頂梁或底座接觸的邊緣部位的等效應(yīng)力超出了材料的彈性極限，進(jìn)入到了塑性階段。在應(yīng)力試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)鋼板與液壓支架接觸的邊緣部位也有微小的塑性變形。除此處之外，頂梁與底座部位的應(yīng)力分布較為均勻，無大范圍的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以認(rèn)定該液壓支架的鋼結(jié)構(gòu)較為合理。

6 結(jié)論

通過上述研究和分析，可以得出以下結(jié)論。

（1）在支架只承受靜載荷時，頂梁和底座承擔(dān)了大部分的載荷，掩護(hù)梁和前后連桿受力較小。

（2）仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢一致，誤差較小，說明仿真模型的可信度較高，并可以以此來評估支架整體的受力狀況，進(jìn)而修正支架設(shè)計(jì)軟件的某些參數(shù)。

（3）根據(jù)仿真結(jié)果，液壓支架整體受力較為均勻，無大范圍應(yīng)力集中現(xiàn)象，驗(yàn)證了支架鋼結(jié)構(gòu)的可靠性。

［1］ 李博.液壓支架動載特性及疲勞壽命分析［D］.太原：太原理工大學(xué)，2013.

［2］ Cao Lianmin,Zeng Qingliang,Xiao Xingyuan，et al.Finite Element Stress Analysis on Structure of Hydraulic Support［J］.Advanced Materials Research,2011,321：84-87.

［3］ Cao Lianmin，Zhao Wenming.Material Stress Analysis of Hydraulic Support in Deeply Inclined Top Coal Caving Face Based on Virtual Prototyping Technology ［J］.Advanced Materials Research,2012，568： 230-233.

［4］ 任錫義.液壓支架整體動態(tài)特性仿真分析［D］.太原：太原理工大學(xué)，2010.

［5］ 李長江.液壓支架的計(jì)算機(jī)輔助工程分析［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2005.

［6］ K Dasgupta,R Karmakar.Dynamic Analysis of Pilot Operated Pressure Relief Valve ［J］.Simulation Modeling Practice and Theory，2002 （10） ：35-49.

［7］ 龔曙光.ANSYS基礎(chǔ)應(yīng)用及范例解析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［8］ 杜長龍,肖世德.液壓支架計(jì)算機(jī)輔助分析與設(shè)計(jì)［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1996.