关于BC520-25型液压支架不同工况强度的分析

2020-08-21岳祥云

机械管理开发 2020年8期

岳祥云

（晋能集团大同公司煤机修造分公司，山西大同 037000）

引言

近年来随着我国煤炭开采行业以及自动化工程装备的发展，矿用液压支架得到广泛应用，同时液压支架的智能化、自动化水平也在不断提高[1]。但是由于企业追求效益，设备常常处于超负荷状态下运行。为了做到液压支架的安全与经济效益两方面的发展，因此有必要从结构强度研究入手，开展支架强度分析与结构优化设计的研究[1]。

1 矿用液压支架的组件

以BC520-25型液压支架为例，其结构主要由以下几部分组成：顶梁结构、底座、支撑柱、防护装置、立柱以及各种连杆、液压控制系统、电控系统等部件[2]。如图1所示，为一般常用液压支架的组成结构示意图。

根据液压支架主要零部件功能划分，可将各部件划分为四类：即控制系统、承载部件、执行单元、以及辅助设备。其中控制组件主要包括：油缸、各种液压阀、六合一控制器等组成；承载结构主要包括：顶梁、底座支撑杆等结构，涉及到结构的静态安全性的部件。辅助设备主要包括：防护装置、照明装置、推移装置等[3]。在工作时，首先是通过多路控制器对各个液压阀进行控制，以实现液压缸对承载部件的驱动控制，由承载部件完成各个动作，各个系统部件之间协同配合完成工作。

图1 液压支架结构简图

2 液压支架分析模型的建立

根据现有某型号液压支架工程图，采用NX12.0软件创建液压支架的三维模型。模型中首先是简化了一些不影响应力分析的细小特征，如开孔、圆角等。其次根据结构的受力分析情况，简化立柱结构，只需要在顶梁下侧与立柱相互作用的地方施加相应的载荷。因为立柱的受力情况较为简单，可以简化为立柱轴向载荷来施加于模型上[4]。模型简化后包括：顶梁结构、前后连杆、底座、千斤顶、防护梁等主要承载结构，如图2为建立的三维模型。液压支架的几项主要参数参见表1所示。

图2 液压支架结构简图

表1 液压支架参数

将建立的三维实体模型导入ANSYS Workbench中创建有限元分析模型，需先对模型进行材料参数的设定，然后划分网格。液压支架整体采用Q460材料，已知Q460材料密度ρ=7 850 kg/m3，弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3。由于模型对于网格的要求并不高，所以选择四面体网格，采用自动网格划分法对三维模型进行网格划分。有限元模型一共划分为95 421个单元，包括521 683个节点[5]。

3 载荷工况

液压支架的载荷工况的选取主要依据国标GB 25974.1—2010《煤矿用液压支架第一部分通用技术条件》执行，由于篇幅所限，本文只列出了两种最为典型的强度试验分析工况，分别为顶梁扭转工况、顶梁偏载荷工况。

在扭转工况下进行强度分析时，试验压力区1.2倍工作压力，同时支架高度为最大高度减去总行程的1/3。扭转工况垫块所在位置如图3所示，该图为顶梁的正上方向俯视图，只需要说明垫块在顶梁顶面的位置示意图，所以以单一顶梁俯视图表示垫块位置。同理得到偏载工况下，试验压力取1.2倍工作压力载荷，液压支架的高度为最小高度值加上400 mm，如图4所示，为偏载工况下垫块位置示意图。

图3 扭转工况垫块位置示意图（单位：mm）

图4 偏载工况垫块位置示意图（单位：mm）

在不同工况下应力分析计算中，需对模型设定相应的约束条件。图3、图4中垫块被当作对于液压支架受到的约束，其他结构部位设置模拟真实的接触，摩擦系数设置为0.15。液压支架结构内部设置个部件之间的销轴连接关系，两种工况下计算压力均为1.2倍工作压力，即6 400×1.2=7 680 kN。

4 强度分析

有限元模型前处理完成后，分别对两种工况进行计算，图5为液压支架承受偏心载荷时的有限元分析应力图，图6为液压支架承受扭转载时的有限元分析应力图。根据分析结果，在偏载荷工况下，应力最大值为409.5 MPa，最大应力值点位于液压支架上顶板与立柱连接处，接近材料的屈服极限。同理可以看到，在扭转载荷工况下最大应力值为809.2 MPa，最大应力值点位于顶梁上柱窝位置。

根据结构强度的分析，在液压支架的整体强度足够，在扭转、偏载工况中应力集中比较明显的区域在支撑立柱结构与顶梁连接区域，应使用筋板进行加强，底座、后连杆属于强度余量较足区域，可以做适当减重设计。基于有限元计算求解液压支架在不同工况下的应力分布情况，比较直观清楚地了解结构的强度状况。能够确定液压支架存在的潜在强度薄弱区域，从而有针对性的对液压支架的关键结构件进行强度分析、结构优化等，更为有效地提升液压支架结构可靠性、经济性。