板式液压支架底座过桥的受力分析及改进

庞志月

（大同煤矿集团机电装备力泰有限责任公司, 山西 大同 037036）

引言

煤矿企业要想在日益激烈的竞争中不断扩大规模提升经济效益，就必须对现有的设备进行持续的技术改造以提升机械设备的技术水平，使之更好的顺应时代的发展[1]。一直以来，煤矿井下支护都是煤矿开采过程中非常关键和重要的环节，支护设备的可靠性对整个采煤生产的安全进行有着决定性作用。因此，必须采取措施确保支护设备的可靠性[2]。液压支架是非常重要的支护设备，在确保液压支架安全性的同时尽可能降低其生产制造成本是未来的发展方向。板式液压支架不管是在稳定性、经济性还是安全性方面均表现出很大的优势。其结构简单、生产制作周期短、成本低，有很多采煤企业的重要选择对象[3-4]。由于板式液压支架与传统液压支架在结构上存在不少差异，所以有必要针对板式液压支架开展系统深入的分析和研究，进一步确保其可靠性。针对液压支架底座过桥的受力情况分析，发现其中存在的问题，并结合笔者实践经验和参考文献资料提出优化方案，取得了良好的效果。

1 板式液压支架主要构成部分及优势

液压支架的结构形式对其性能有着决定性的影响，会影响整条采煤生产线的生产效率。近年来，我国综采技术得到了很好的发展，这对矿用液压支架的结构性能要求更高，在保证性能满足要求的同时还要想办法尽可能降低其重量。当前阶段应用最广泛的是四连杆液压支架[5]，但是这种类型液压支架的双纽线存在不稳定性，针对该问题进行优化改进逐渐演变得到了板式液压支架，如图1 所示。从图中可以看出板式液压支架主要由七部分构成，分别为顶梁、悬浮立柱、尾梁、连板、抬高架、插柱及插槽、底座。

图1 板式液压支架结构简图

与其他类型液压支架相比较而言，板式液压支架存在一些优势，具体如下[6]：与四连杆液压支架相比较而言，板式压支架的结构得到了很大程度的简化。因此，在对板式液压支架进行设计时相对简单，可以缩短设计周期。结构上的简化同样有利于加工制度，生产加工时间短、工艺简单，在一定程度上提升了液压支架的经济效益。板式液压支架中针对插座的设计能够保证支架沿着既定方向移动，有利于顶梁的控制。在进行上升和下降运动时，在水平方向上顶梁和顶板相对固定在一起，不会发生相对运动，确保了液压支架稳定性。插柱和顶梁铰点与顶梁前后断面的距离不远，这种结构设计显著提升了液压支架的抗偏载能力。由于板式液压支架采取的是悬浮式液压支柱，这种类型的支柱具备更强的抗冲击性能。是液压支架以其显著的优势在小型采煤矿井中拥有很好的应用前景。

2 板式液压支架模型的建立

2.1 三维模型的建立

利用Pro/E 三维造型软件对板式液压支架进行三维建模。首先根据已有的零件图纸，针对每一个零部件进行三维建模，然后再根据不同零部件的相对位置为其进行装配，如下页图2 所示。图中箭头所指为底座过桥的位置。建立好模型后还需要将其导出为ANSYS 能够识别的文件格式。需要强调的是，为了保证有限元分析工作的顺利开展，缩短分析计算的时间，对板式液压支架中一些不重要的结构进行了简化，但不影响整体的受力分析。

图2 板式液压支架三维模型

2.2 有限元模型的建立

利用ANSYS 软件对板式液压支架在工作中的受力情况进行分析。首先需要将三维造型软件建立的三维模型导入到ANSYS 软件。然后需要对齐网格进行划分，网格类型和大小对计算过程和结果有着决定性的影响。ANSYS 软件可对导入的三维模型进行网格的自动划分，利用该功能实现模型的网格划分。网格类型为Solid186 的20 节点实体单元，综合考虑计算结果的精度和计算时间设置网格大小为20 mm 左右。

板式液压支架选用的液压缸直径大小为160 mm。为了让有限元模型更好地反映实际情况，在模型中相关结构件的有效尺寸设置为对应数值。根据有关的规范标准要求，在针对液压支架开展实验工作时，要求将立柱的工作阻力设置成为额定工作阻力的1.2 倍，使之更好的满足实际需要，结合具体情况最终将加载压力设置成为1 014 kN。

在有限元模型中还需要根据实际情况来设置板式液压支架的材料，准确设置材料属性是得到准确结果的基础和前提条件。对板式液压支架其受力情况比较复杂，整体需要承受很大的载荷，且很多局部位置可能出现应力集中问题，进行设计时通常选用的材料为Q460 钢板。其各项物理属性值为：弹性模量和泊松比分别为2.06×1011Pa 和0.28，屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为460 MPa、550～720 MPa和17%。将上述力学参数输入到有限元模型中进行分析计算。

3 板式液压支架底座过桥受力结果的分析

如图3 所示为板式液压支架底座过桥受力结果云图，需要说明的是，为获得准确结果，本文对整个液压支架进行了数值模拟。但本文的研究对象为底座过桥，因此图中主要展示过桥局部位置的受力情况。从图中可以明显看出，整体上过桥的受力很不均匀，存在应力集中现象，出现应力集中的位置在过桥拐角内侧，更具体一点是在过桥的右侧，最大应力值达到了797.6 MPa。过桥的其他部位受力情况良好，都不是非常大。对比该种材料的属性可以明显发现，过桥的最大应力值超过了材料的屈服强度，甚至超过了抗拉强度值。虽然出现应力集中的区域非常小，但是这些位置出现的过大的应力集中现象必然会对结构件造成损害，进而产生裂纹最终导致结构件的断裂失效。

基于上述分析可知，现有的过桥结构，过桥拐角内侧的右侧容易出现应力集中现象，最大应力值超过了材料的屈服强度，不利于结构件服役的稳定性，会显著降低过桥的使用寿命，有必要采取措施对其进行优化改进。

图4 优化改进后板式液压支架底座过桥受力结果云图

图3 板式液压支架底座过桥受力结果云图

4 板式液压支架底座过桥的改进措施

针对板式液压支架底座过桥拐角内侧出现的应力集中现象，结合实践经验并阅读大量文献资料，对其进行了优化改进，经过多次尝试以后最终确定的优化改进方案如下：降低过桥整体高度值，减小其在垂直方向上的距离，在固定过桥垂直部分时，确保过桥内侧面与底座内侧铁板在相同的平面上，另外还对底座过桥拐角的结构和尺寸进行了优化。

针对改进优化后的板式液压支架底座重新计算分析，所有的建模过程以及参数属性设置与前面的一模一样，以确保计算结果的对比性。如图4 所示,可以明显看出，过桥的受力情况得到了明显改善。首先是受力均匀性得到显著提升，过桥的绝大部分区域受力均在很低的水平。其次，过桥拐角内侧虽然还存在应力集中现象，但最大应力值已经降低了很多，其大小为420 MPa。对比该种材料的物理属性可以发现，最大应力值已经降低到了材料的屈服强度值以下，完全能够满足实际使用需要。通过提出的优化改进方案，避免了过桥拐角内侧因为应力集中而发生断裂失效的问题，能够提升结构件的服役稳定性和可靠性。

将提出的优化改进方案应用到实际中得到了很好的效果，针对底座过桥进行优化改造后从未出现由于应力集中而导致的断裂失效问题。

5 结论

板式液压支架以及结构上的优势，具有很大的应用潜力。由于液压支架的整体受力情况比较复杂，导致其整体受力比较大，且部分区域容易出现应力集中问题，其中最典型的是底座过桥拐角内侧部位。针对相关区域位置的受力情况进行模拟分析，结合具体问题提出有针对性的改进措施。实践结果表明，利用提出的优化改进方案，液压支架底座过桥拐角内侧区域的应力集中问题得到了很好的解决。