液压支架有限元应力应变的分析

运健莹

（西山煤电（集团）有限责任公司机电厂， 山西 太原 030024）

引言

液压支架作为井下常见的支护设备由于工况环境差易发生偏载扭转等破坏，所以对液压支架进行结构优化是当代热门课题。此前李昊[1]对液压支架的控制系统进行分析，利用数理统计的方法给出了历史移架的时长的置信区间，有效地降低了计算的耗时，提升了数据的可靠性。张豫龙[2]通过数值模拟软件对液压支架的帮板进行了优化，通过将帮板设计为箱形梁结构有效地降低了帮板的损坏，提升了帮板的刚度，为矿山提升经济效益作出贡献。刘军[3]为了解决掩护梁易发生断裂的问题，对液压支架的掩护梁进行可靠性优化，有效地降低了掩护梁的受力情况，为液压支架的优化作出一定的贡献。高耀东[4]利用Ansys 数值模拟软件对液压支架的运动仿真进行优化，改善了液压支架的性能，同时降低了液压支架的质量，并通过验证可以有效地满足生产的需求。本文对液压支架的底座两端加载加载下的应力位移云图进行分析，对液压支架的结构进行优化改进，有效地提升了液压支架的工作性能。

1 液压支架应力位移的分析

Ansys 是一种集合结构、流体和声学等为一体的模拟软件，操作较为简单，功能强大。所以本文选定Ansys 模拟软件对液压支架进行研究。利用PRO/E 对ZY4000/17/32 液压支架进行模型的导入，完成模型导入后对模型的参数进行设定，常见的液压支架结构材料为Q690，本文选定材料为Q690，材料的弹性模量为2.04×105MPa，材料的泊松比为0.3，密度为7 850 kg/m3，完成参数设定后对模型的网格进行划分，网格划分时由于对网格需求不是很大，所以本文适当的减小模型的网格，加快计算的过程。完成网格划分后对模型的约束及载荷进行设置，液压支架的顶梁和底座受到的外部载荷是由立柱传递上去的，所以将外部载荷的大小可以通过公式：

公式中：P1与P2分别为顶梁与底座的载荷，MPa；A1为活柱的横截面积，取1.15×105mm2；A2为立柱缸体的横截面积，取4.21×105mm2；θ1为立柱与顶梁的夹角，取72°；θ2为立柱缸体与底座的夹角，取78°；Fz为立柱的工作阻力，取907.2 kN。将参数的值代入公式中可以得出P1与P2分别为94.74 MPa和23.69 MPa。模型顶梁计算云图如图1 所示。

图1 支架顶梁应力与位移云图

如图1 为顶梁偏心加载、底座扭转加载工况下的顶梁应力及位移云图，从图中可以看出，如果将垫片的位置进行忽略，顶梁的应力云图呈现出对称分布，最大的应力点出现在顶梁的左侧筋板上，此位置的最大应力为913.09 MPa，另外在顶梁的下盖板位置出现较大的应力值为720.19 MPa。顶梁的最大应力值已经趋近于材料的许用强度，所以可能发生破损。从顶梁的位移云图可以看出，在垂直方向上顶梁的右侧出现位移的最大值21.447 mm，同时位移随着顶梁的横向移动出现了逐步减小的趋势，在顶梁的左侧出现位移的最小值0 mm。掩护梁的应力及位移云图如图2 所示。

图2 支架掩护梁应力与位移云图

从图2 可以看出，液压支架的掩护梁应力云图呈现出区域性分布，在掩护梁的前端部位的筋板上出现应力集中现象，最大应力值为913.09 MPa 由于掩护梁的最大应力值小于Q690 材料的屈服强度，所以掩护梁在顶梁偏心加载、底座扭转加载工况下并不会出现破坏的情况。从掩护梁的位移云图可以看出，在垂直方向上掩护梁的右侧出现位移的最大值21.447 mm，同时位移随着掩护梁梁的向左侧移动时出现了逐步减小的趋势，在掩护梁的左侧出现位移的最小值0。底座的应力位移云图如图3 所示。

从图3 可以看出，液压支架的底座云图呈现出区域性分布，在底座的过桥处出现应力集中现象，出现的最大应力值为915.09 MPa，此时出现的应力虽然小于材料的许用强度，但数值较为接近，易发生破损且由于动载的原因底座的过桥处是材料的薄弱点，所以需要对其进行一定的优化。从液压支架的底座位移云图可以看出，在垂直方向上底座的右侧出现位移的最大值21.447 mm，底座的位移变形主要集中在部件的右侧，底座的左侧位移变形量均较小，并不会出现明显的位移变形，所以结构较为稳定。

图3 支架底座应力与位移云图

2 优化设计

通过对顶梁偏心加载、底座承受扭矩的工况下的液压支架各部分进行应力位移云图的分析发现，在液压支架的顶梁、掩护梁和底座部位出现了明显的应力集中现象，可能损坏液压支架进而发生较大的事故，所以提出对液压支架的各部件的改进方案。

在顶梁部位将侧板及护板的厚度进行加大，在原有的基础上加厚30 mm，为了考虑经济效益，将顶梁应力呈现较小的部位前端盖板进行厚度的削减，削减到20 mm。掩护梁的中间筋板及两端盖板部位应力集中，所以加大其厚度，将原有的30 mm 加大至35 mm，同时对掩护梁的侧护板进行厚度的削减，减小至20 mm。进行底座优化时考虑到其在底座过桥部位出现的应力集中现象，将过桥部位的厚度加大值50 mm，底座侧板的厚度削减至70 mm。优化完成。对优化后的液压支架部件进行验证。验证的结果如下页图4 所示。

如图4 所示为液压支架顶梁、掩护梁和底座优化后的应力云图，从图中可以看出优化后的顶梁最大应力值从原先的913.09 MPa 降低到了338.64 MPa，降低的效果明显，结构改进后的应力远小于材料的屈服应力值，提升了顶梁的承压性，有效的解决了顶梁应力集中发生破坏的事故。同时在掩护梁的应力集中部位最大应力值从原有的710.19 MPa 降低至了263.4 MPa，降低的效果同样明显，同时掩护梁的侧护板应力变化趋势不明显。优化后的底座在过桥位置应力值从913.09 MPa 降低至了263.4 MPa，底座在扭转的作用下过桥部位不会出现破坏。所以本次对液压支架的优化较为成功，有效地降低了液压支架破坏的可能性，提升了矿山的经济效益。

图4 优化后液压支架各部件应力（MPa）云图

3 结论

1）通过对液压支架进行数值模拟建模，分析了液压支架的顶梁、掩护梁及底座的应力位移云图，发现部件在顶梁的侧板及护板，掩护梁的中间筋板及两端盖板，底座过桥出现应力过大的情况。

2）通过对模型应力位移云图分析，给出了液压支架的顶梁、掩护梁和底座的优化设计并降低了应力较小区域的尺寸，降低了制作成本。

3）通过对优化后的部件进行模拟发现，优化后的各部件应力最大值都有了明显的下降，有效地提升了液压支架各部件的刚度，提升了矿山的经济。