基于有限元法的ZY6400／21／45型液压支架强度分析＊

陈 静 赵丽萍 范 迅

（1.中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京市海淀区，100083；2.河南工程学院机械工程学院，河南省郑州市，451191；3.郑州煤矿机械制造技工学校，河南省郑州市，450013）

目前液压支架的强度检验主要采用实际样机试验，耗资巨大且只能在产品形成之后进行检验，不能提早发现产品设计上存在的问题，无法在产品形成前对其进行设计指导。而采用有限元分析方法，在对支架整机分析的基础上，可以更精确地掌握支架的应力应变分布情况，找出支架各部件存在的强度隐患，系统地对支架的关键部件进行强度分析和优化，有效地提高支架的强度和可靠性。

依据2011年颁布的最新国家标准《GB25974.1－2010煤矿用液压支架第一部分：通用技术条件》，本文针对ZY6400／21／45型两柱掩护式支架进行有限元强度分析，通过对支架的整架有限元分析，掌握支架应力应变等参数的分布情况，确定支架的易损结构以及部位。

1 支架的参数

ZY6400／21／45型支架的主要参数如下：支架高度为2100～4500 mm，宽度为1420～1590 mm，中心距为1500 mm，工作阻力为6400 k N，支护强度为0.98～1.03 MPa，初撑力为5066 k N，泵站压力为31.5 MPa。

2 建立支架模型

本文采用Solid Works创建支架的三维实体模型。首先在Solid Works的零件生成环境中利用特征造型生成ZY6400／21／45液压支架部件的所有模型，最后按照装配关系，对液压支架所有部件进行装配，ZY6400／21／45的装配模型见图1。

图1 液压支架装配模型

由图1可见，ZY6400／21／45的装配模型由3000多个零件组成，分析计算量非常庞大，需要简化模型以后才能用于有限元分析。简化后的分析模型包含以下主要承力构件：顶梁、掩护梁和平衡千斤顶、前连杆、后连杆、底座等。去除每个构件中不影响主体强度和承载的细小结构，比如圆角、倒角以及小孔等，同时立柱的模型可以去除，因为试验采用的是立柱内加载的方式，因此立柱用沿着立柱方向的载荷代替，简化后ZY6400／21／45液压支架的模型如图2所示。

图2 液压支架装配简化模型

3 选择试验工况

液压支架国家标准对其强度试验的工况进行了规定，以模拟支架在井下可能出现的各种受力情况，对支架进行加载强度试验，是检验支架的设计是否合理的重要方式。试验的工况包括：顶梁两端集中载荷、顶梁扭转、顶梁偏载、底座两端集中载荷和底座扭转等。

根据最新的国家标准，按照液压支架的强度试验要求进行分析，选取了较恶劣的3种工况对整架支架进行了有限元分析。这3种工况分别是：顶梁两端集中载荷、顶梁扭转以及顶梁偏载。前边两种工况试验时的支架高度为支架的最大高度减去行程的1／3，第三种工况的支架高度为支架的最低高度加上300 mm。试验压力对3种工况相同，均为1.2倍工作压力，试验加载的垫块位置如图3、图4和图5所示。

图3 顶梁两端集中加载的垫块位置图

图4顶梁扭转加载的垫块位置图

图5 顶梁偏心加载的垫块位置图

图中，a＝150 mm，b＝200 mm，c＝300 mm，d＝50 mm，分别代表强度试验时垫块的宽度和位置尺寸。

4 ZY6400／21／45型支架有限元分析

4.1 加载

试验的方式采用内加载，载荷为10320 k N，载荷力的作用线是沿着立柱的轴线方向，施加在柱窝的球面上。

4.2 约束

分别按照液压支架的试验工况对支架添加垫块，垫块和顶梁、垫块和底座之间采用真实接触，选取摩擦系数为0.15。

液压支架的顶梁、掩护梁、连杆等构件之间多采用柱销连接，如果按照其真实接触运算，计算量将非常巨大。由于柱销的接触应力以及局部强度不是本次分析的重点，因此分析中柱销采用了软件提供的销钉约束进行代替。

4.3 划分网格

选用四面体单元进行网格划分，设定单元的大小为50 mm，划分网格数量为32万个单元。

4.4 有限元分析结果

顶梁两端集中载荷工况的有限元分析结果显示如图6所示。忽略由于约束造成的应力集中，支架最大应力为376 MPa，出现在支架的底座，小于屈服极限460 MPa，支架在这种工况下工作是安全的。

图6 顶梁两端集中载荷有限元分析结果

顶梁扭转工况时的有限元分析结果显示如图7所示。支架最大应力出现在顶梁柱窝附近，为436 MPa，支架在这种工况下工作也是安全的。

顶梁偏载工况时的有限元分析结果显示如图8所示。在偏载工况时，支架的掩护梁受力最为恶劣，最大应力出现在掩护梁耳板附近，为457 MPa，接近了材料的屈服极限，如图9所示。因此，掩护梁是支架受力较大较薄弱的一个部件。

图7 顶梁扭转有限元分析结果

图8 顶梁偏载工况有限元分析结果

图9 扭转载荷时掩护梁应力图

5 结论

有限元分析结果显示，支架在3种工况下，ZY6400／21／45型两柱掩护式支架的强度均能满足要求，但掩护梁在扭转工况下， 最大应力值达到457 MPa，接近材料的屈服极限，是支架在超载时较易损坏的部件，这与支架在实际使用时的情况是一致的。有限元强度分析为企业的设计工作提供了有力的支持与验证依据，同时为改进掩护梁结构的强度设计、提高掩护梁的力学性能提供了依据。

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［2］陈静，刘建英.ZY12000／28／63D型液压支架柱窝结构的优化 ［J］.机械设计，2012（8）

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