張烜

（山西煤炭運銷集團忻州有限公司，山西 忻州 034000）

1 概況

綜采工作面中液壓支架是非常重要的機械裝備，主要作用是對工作面的人員和設備進行保護，其性能直接關系到煤礦的生產(chǎn)安全，因此要確保液壓支架的穩(wěn)定可靠運行。利用傳統(tǒng)方法對液壓支架進行設計時，難免存在缺陷問題，在煤礦復雜的工況環(huán)境下可能存在安全隱患。隨著有限元技術的發(fā)展，其在機械設計領域的應用越來越廣泛。通過建立模型并開展有限元分析，可以發(fā)現(xiàn)液壓支架結構方面存在的缺陷問題，進而對其開展優(yōu)化改進。本文以泰山隆安煤業(yè)11 號煤層中使用的ZF3700/16/26型液壓支架的底座結構為研究對象，利用ANSYS Workbench 軟件對底座結構進行靜力學分析，在此基礎上對結構進行優(yōu)化設計。

2 液壓支架底座有限元模型的建立

2.1 三維幾何模型構建

以泰山隆安煤業(yè)11 號煤層使用的ZF3700/16/26型液壓支架的底座結構為研究對象，考慮到Workbench 軟件的三維造型能力有限，首先需利用SolidWorks 軟件建立液壓支架底座結構的三維幾何模型。建模時為了保證結果的精確性，尺寸方面嚴格按照底座結構的實際尺寸繪制。對于局部細小結構作忽略處理，保證模型計算準確性的前提下，壓縮模型分析時間，提升效率。

2.2 有限元模型建立

在SolidWorks 軟件中完成三維幾何模型建立后，通過STL 中間格式導入Workbench 軟件中，進行有限元模型建立。在Workbench 中首先進行網(wǎng)格劃分，軟件提供了多種類型的網(wǎng)格，結合實際情況確定采用六面體網(wǎng)格類型，此型號網(wǎng)格可以保證結果精度和模型計算時間。網(wǎng)格尺寸方面，采用非均勻化網(wǎng)格，對于一些比較重要或容易出現(xiàn)應力集中的位置，采用較小的網(wǎng)格尺寸，其他部位采用相對較大的網(wǎng)格尺寸。劃分得到的網(wǎng)格單元和節(jié)點數(shù)量分別為23 924 個和38 492 個。材料屬性方面，ZF3700/16/26 型液壓支架底座結構使用的為Q550鋼板，材料的密度為7.85 g/cm3，楊氏模量和波松比分別為206 GPa 和0.28，屈服強度、抗拉強度和伸長率分別為550 MPa、630 MPa 和16%。如圖1所示為液壓支架底座結構的有限元模型。邊界條件方面，考慮到底座結構承受扭矩載荷時的情況比較復雜，屬于比較極端的復雜工況，因此模擬此類型工況條件，確保底座結構在特殊工況下能滿足使用要求。

圖1 液壓支架底座結構的有限元模型Fig.1 Finite element model of hydraulic support base structure

3 液壓支架底座的有限元結果分析

3.1 結果分析

此次研究主要關心底座結構在工作過程中的受力情況，在完成模型的分析計算工作后，提取了結構件的等效應力分布云圖和位移變形分布云圖，這兩項指標能很好的反映機械結構件的力學性能，結果如圖2 所示。

圖2 液壓支架底座結構的等效應力和位移變形分布云圖Fig.2 Distribution cloud diagram of equivalent stress and displacement deformation of hydraulic support base structure

由圖2（a） 可知，底座結構的等效應力分布不均勻，應力分布范圍較廣，大約在57～515 MPa。絕大部分位置應力較小，只有局部位置的應力接近515 MPa，出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，其中應力相對較大的區(qū)域主要包括后柱窩、過橋和耳板等。由圖2（b） 可知，底座結構的位移變形分布情況與等效應力分布情況基本類似，出現(xiàn)了位移變形集中現(xiàn)象，位移變形的分布范圍在0～4.14 mm。位移變形最大的區(qū)域在前側的一端，出現(xiàn)這種情況的原因是在該位置施加了集中載荷，與該位置越遠對應的位移變形越小。

3.2 存在的問題

基于有限元分析結果可知，泰山隆安煤業(yè)11號煤層使用的ZF3700/16/26 型液壓支架的底座結構的最大應力為515 MPa，而底座結構的加工材料為Q550，對應的屈服強度為550 MPa，雖然結構件的實際受力沒有超過材料的屈服強度，但是已經(jīng)非常接近。機械設計領域安全系數(shù)的公式為：

式中：η 為安全系數(shù)；σmax為承受的最大應力；σs為材料的屈服強度。根據(jù)式（1） 可以計算得到底座的安全系數(shù)為1.07，而根據(jù)設計要求，結構的安全系數(shù)至少在1.5 以上才能保證其安全穩(wěn)定運行。

綜上所述，泰山隆安煤業(yè)11 號煤層使用的ZF3700/16/26 型液壓支架的底座結構的綜合性能勉強能維持運行，但穩(wěn)定性不高。如果遇到?jīng)_擊性載荷，可能出現(xiàn)塑性損傷進而損壞底座結構，影響液壓支架的運行穩(wěn)定性，威脅煤礦生產(chǎn)安全。因此，有必要對結構進行優(yōu)化改進。

4 液壓支架底座結構的優(yōu)化研究

4.1 優(yōu)化方案

優(yōu)化設計時涉及三要素，分別為優(yōu)化對象、優(yōu)化目標和約束條件。結合泰山隆安煤業(yè)ZF3700/16/26型液壓支架實際情況，將優(yōu)化目標確定為液壓支架底座結構的最大應力，要求最大應力盡可能降低；優(yōu)化對象為過橋寬度、柱窩高度和耳板厚度，分別用P1、P2和P3表示，以上3 個參數(shù)的初始值依次為160、350 和60 mm，為了不對底座結構做過多改動，同時縮短優(yōu)化時間，針對3 個優(yōu)化對象分別設置范圍，分別為144～176、315～385 和54～66 mm；約束條件為結構件的安全系數(shù)不低于1.5。

4.2 優(yōu)化結果

優(yōu)化過程在ANSYS Workbench 軟件的優(yōu)化模塊中完成，該模塊中內置有算法程序，可以根據(jù)設置的優(yōu)化方案輸出最優(yōu)的結果。表1 為優(yōu)化后3 個優(yōu)化對象的輸出結果，及其與初始值之間的對比情況，表中還給出了優(yōu)化前后底座結構的最大應力和最大位移變形對比情況。

表1 底座結構優(yōu)化前后技術參數(shù)對比情況Table 1 Comparison of technical parameters before and after base structure optimization

表1 中數(shù)據(jù)可知，過橋寬度、柱窩高度和耳板厚度與初始值相比較均有了增加，增加幅度分別為4.74%、7.68%和8.9%。通過增加對應部位的結構尺寸，可以提升結構件的剛度和強度，在相同工況條件下降低這些區(qū)域的最大應力，改善應力集中現(xiàn)象，使底座結構的應力分布變得更加均勻。

通過優(yōu)化改進，使得底座結構的最大應力由515 MPa 降低至363.57 MPa，降低幅度為29.4%。最大位移變形方面，由優(yōu)化前的4.14 mm 降低至優(yōu)化后的3.27 mm，降低幅度為21.01%。根據(jù)結構件的安全系數(shù)計算公式，優(yōu)化后的安全系數(shù)為1.51，滿足機械設計領域的相關要求。如圖3 所示為優(yōu)化后的液壓支架底座結構的應力分布云圖。

圖3 優(yōu)化后底座結構的應力分布云圖Fig.3 The stress distribution cloud diagram of the optimized base structure

5 底座結構在液壓支架中的應用情況

為了驗證上文提出的底座結構優(yōu)化方案的可行性，根據(jù)優(yōu)化后的結構尺寸加工得到了底座結構，并將其應用到泰山隆安煤業(yè) 11 號煤層ZF3700/16/26 型液壓支架工程實踐中，進行6 個月的現(xiàn)場測試。由于只是對局部結構進行了優(yōu)化改進，因此優(yōu)化后的底座結構整體運行穩(wěn)定，且6 個月的測試期間沒有出現(xiàn)故障問題，經(jīng)過評估。認為優(yōu)化后的底座結構使用壽命可延長15%以上。

6 結論

以泰山隆安煤業(yè)11 號煤層在使用的ZF3700/16/26型液壓支架底座結構為研究對象，基于有限元方法分析了底座的受力情況，并開展結構優(yōu)化設計工作，所得結論主要如下。

（1） 利用ANSYS Workbench 軟件建立有限元模型，分析發(fā)現(xiàn)泰山隆安煤業(yè)ZF3700/16/26 型液壓支架底座存在應力集中和位移變形集中現(xiàn)象，最大應力為515 MPa，安全系數(shù)只有1.07，最大位移變形為4.14 mm。

（2） 以過橋寬度、柱窩高度和耳板厚度為優(yōu)化對象，以最大應力和位移變形為優(yōu)化目標，以安全系數(shù)為約束條件，通過優(yōu)化改進使得底座的安全系數(shù)達到1.51。

（3） 將優(yōu)化后的底座應用到液壓支架工程實踐中，通過6 個月時間的現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)效果穩(wěn)定，預計使用壽命可以延長15%以上，安全效益和經(jīng)濟效益顯著。